nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. CSS için sınırlı desteğe sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz. En iyi deneyimi elde etmek için daha güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
Mavi lazer aydınlatma ile oluşturulan YBa2Cu3O6.96 (YBCO) seramiğinde 50 ile 300 K arasında dikkate değer bir fotovoltaik etki bildiriyoruz; bu etki doğrudan YBCO'nun süperiletkenliği ve YBCO-metalik elektrot arayüzü ile ilgilidir. YBCO süperiletkenlikten dirençli duruma geçtiğinde açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc için bir polarite tersine dönmesi vardır. Süperiletken-normal metal arayüzü boyunca, foto-indüklenmiş elektron-delik çiftleri için ayırma kuvveti sağlayan bir elektrik potansiyelinin var olduğunu gösteriyoruz. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda doğru yönelir ve YBCO süperiletkenliğini yitirdiğinde zıt yöne geçer. Potansiyelin kökeni, YBCO süperiletken olduğunda metal-süperiletken arayüzündeki yakınlık etkisiyle kolayca ilişkilendirilebilir ve değerinin 502 mW/cm2 lazer yoğunluğunda 50 K'de ~10–8 mV olduğu tahmin edilmektedir. Normal durumdaki p tipi bir malzeme olan YBCO'nun n tipi bir malzeme olan Ag macunu ile kombinasyonu, yüksek sıcaklıklarda YBCO seramiklerinin fotovoltaik davranışından sorumlu olan yarı-pn birleşim oluşturur. Bulgularımız, foton-elektronik cihazların yeni uygulamalarına giden yolu açabilir ve süperiletken-metal arayüzündeki yakınlık etkisine daha fazla ışık tutabilir.
Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde foto-indüklenen voltaj 1990'ların başında rapor edilmiş ve o zamandan beri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır, ancak doğası ve mekanizması henüz belirlenmemiştir1,2,3,4,5. Özellikle YBa2Cu3O7-δ (YBCO) ince filmleri6,7,8, ayarlanabilir enerji aralığı nedeniyle fotovoltaik (PV) hücre formunda yoğun bir şekilde incelenmiştir9,10,11,12,13. Ancak, alt tabakanın yüksek direnci her zaman cihazın düşük dönüşüm verimliliğine yol açar ve YBCO8'in birincil PV özelliklerini maskeler. Burada, 50 ile 300 K (Tc ~ 90 K) arasında YBa2Cu3O6.96 (YBCO) seramiğinde mavi lazer (λ = 450 nm) aydınlatma ile indüklenen dikkate değer fotovoltaik etkiyi bildiriyoruz. PV etkisinin doğrudan YBCO'nun süperiletkenliği ve YBCO-metalik elektrot arayüzünün doğası ile ilişkili olduğunu gösteriyoruz. YBCO süperiletken fazdan dirençli bir duruma geçtiğinde açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc için bir polarite tersine dönmesi olur. Süperiletken-normal metal arayüzü boyunca, foto-indüklenmiş elektron-delik çiftleri için ayırma kuvvetini sağlayan bir elektrik potansiyelinin var olduğu ileri sürülmektedir. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda doğru yönelir ve numune süperiletkenliğini yitirdiğinde zıt yöne geçer. Potansiyelin kökeni, YBCO süperiletken olduğunda metal-süperiletken arayüzündeki yakınlık etkisiyle14,15,16,17 doğal olarak ilişkili olabilir ve değerinin 502 mW/cm2 lazer yoğunluğunda 50 K'de ~10−8 mV olduğu tahmin edilmektedir. Normal durumdaki p tipi bir malzeme olan YBCO'nun n tipi bir malzeme olan Ag-macunu ile birleştirilmesi, büyük olasılıkla, YBCO seramiklerinin yüksek sıcaklıklardaki PV davranışından sorumlu olan bir yarı-pn eklemi oluşturur. Gözlemlerimiz, yüksek sıcaklık süperiletken YBCO seramiklerindeki PV etkisinin kökenine daha fazla ışık tutuyor ve hızlı pasif ışık dedektörü vb. gibi optoelektronik cihazlarda uygulanmasının önünü açıyor.
Şekil 1a–c, YBCO seramik numunesinin 50 K'daki IV karakteristiklerini göstermektedir. Işık aydınlatması olmadan, numune boyunca voltaj, süperiletken bir malzemeden beklenebileceği gibi, değişen akımla sıfırda kalır. Lazer ışını katoda yönlendirildiğinde belirgin fotovoltaik etki ortaya çıkar (Şekil 1a): I eksenine paralel IV eğrileri artan lazer yoğunluğuyla aşağı doğru hareket eder. Herhangi bir akım olmadan bile negatif bir foto-indüklenmiş voltaj olduğu açıktır (genellikle açık devre voltajı Voc olarak adlandırılır). IV eğrisinin sıfır eğimi, numunenin lazer aydınlatması altında hala süperiletken olduğunu gösterir.
(a–c) ve 300 K (e–g). V(I) değerleri, akımın vakumda -10 mA'den +10 mA'ye kaydırılmasıyla elde edildi. Açıklık sağlamak amacıyla deneysel verilerin yalnızca bir kısmı sunulmuştur. a, Katotta konumlandırılmış lazer noktasıyla ölçülen YBCO'nun akım-gerilim karakteristikleri (i). Tüm IV eğrileri, numunenin lazer ışınımıyla hala süperiletken olduğunu gösteren yatay düz çizgilerdir. Eğri, artan lazer yoğunluğuyla aşağı doğru hareket eder ve sıfır akımla bile iki voltaj ucu arasında negatif bir potansiyel (Voc) bulunduğunu gösterir. Lazer numunenin merkezine 50 K (b) veya 300 K (f) sıcaklıkta yönlendirildiğinde IV eğrileri değişmeden kalır. Anot aydınlatıldıkça yatay çizgi yukarı doğru hareket eder (c). 50 K'de metal-süperiletken bağlantısının şematik modeli d'de gösterilmiştir. Lazer ışınının katot ve anoda doğrultulmasıyla ölçülen 300 K'deki normal durum YBCO'nun akım-gerilim karakteristikleri sırasıyla e ve g'de verilmiştir. 50 K'deki sonuçların aksine, düz çizgilerin sıfır olmayan eğimi YBCO'nun normal durumda olduğunu gösterir; Voc değerleri ışık yoğunluğuna göre ters yönde değişir ve farklı bir yük ayırma mekanizması olduğunu gösterir. 300 K'deki olası bir arayüz yapısı hj'de gösterilmiştir. Uçlu numunenin gerçek resmi.
Süperiletken haldeki oksijen açısından zengin YBCO, çok küçük enerji aralığı (Eg)9,10 nedeniyle güneş ışığının neredeyse tüm spektrumunu emebilir ve böylece elektron-delik çiftleri (e–h) oluşturabilir. Fotonların emilmesiyle açık devre voltajı Voc üretmek için, rekombinasyon gerçekleşmeden önce foto-üretilmiş eh çiftlerini uzamsal olarak ayırmak gerekir18. Şekil 1i'de gösterildiği gibi katot ve anoda göre negatif Voc, metal-süperiletken arayüzü boyunca elektronları anoda ve delikleri katoda süpüren bir elektrik potansiyeli olduğunu gösterir. Durum buysa, süperiletkenden anottaki metal elektroda doğru işaret eden bir potansiyel de olmalıdır. Sonuç olarak, anot yakınındaki örnek alanı aydınlatılırsa pozitif bir Voc elde edilir. Dahası, lazer noktası elektrotlardan uzak alanlara doğrultulduğunda foto-indüklenen voltajlar olmamalıdır. Şekil 1b,c'den görülebileceği gibi durum kesinlikle böyledir!.
Işık noktası katot elektrodundan numunenin merkezine doğru hareket ettiğinde (arayüzlerden yaklaşık 1,25 mm uzakta), IV eğrilerinde hiçbir değişim ve mevcut maksimum değere ulaşan lazer yoğunluğuyla hiçbir Voc gözlemlenemez (Şekil 1b). Doğal olarak, bu sonuç foto-indüklenen taşıyıcıların sınırlı ömrüne ve numunedeki ayırma kuvvetinin eksikliğine atfedilebilir. Numune aydınlatıldığında elektron-delik çiftleri oluşturulabilir, ancak lazer noktası elektrotlardan herhangi birinden uzak alanlara düşerse e-h çiftlerinin çoğu yok olur ve hiçbir fotovoltaik etki gözlemlenmez. Lazer noktasını anot elektrotlarına hareket ettirerek, I eksenine paralel IV eğrileri artan lazer yoğunluğuyla yukarı doğru hareket eder (Şekil 1c). Benzer yerleşik elektrik alanı anottaki metal-süperiletken bağlantısında bulunur. Ancak, metalik elektrot bu sefer test sisteminin pozitif ucuna bağlanır. Lazer tarafından oluşturulan delikler anot ucuna itilir ve böylece pozitif bir Voc gözlenir. Burada sunulan sonuçlar, süperiletkenden metal elektroda doğru işaret eden bir arayüz potansiyelinin gerçekten var olduğuna dair güçlü kanıtlar sağlar.
Şekil 1e–g'de 300 K'de YBa2Cu3O6.96 seramiklerindeki fotovoltaik etki gösterilmiştir. Işık aydınlatması olmadan, numunenin IV eğrisi orijini geçen düz bir çizgidir. Bu düz çizgi, katot uçlarında ışınlanan artan lazer yoğunluğuyla orijinal çizgiye paralel olarak yukarı doğru hareket eder (Şekil 1e). Bir fotovoltaik cihaz için ilgi çekici iki sınırlayıcı durum vardır. Kısa devre koşulu, V = 0 olduğunda meydana gelir. Bu durumdaki akım, kısa devre akımı (Isc) olarak adlandırılır. İkinci sınırlayıcı durum, R→∞ olduğunda veya akım sıfır olduğunda meydana gelen açık devre koşuludur (Voc). Şekil 1e, Voc'nin pozitif olduğunu ve 50 K'de elde edilen sonucun aksine, artan ışık yoğunluğuyla arttığını açıkça göstermektedir; negatif bir Isc'nin ise normal güneş hücrelerinin tipik davranışı olan ışık aydınlatmasıyla büyüklüğünün arttığı gözlemlenmiştir.
Benzer şekilde, lazer ışını elektrotlardan uzak alanlara yöneltildiğinde, V(I) eğrisi lazer yoğunluğundan bağımsızdır ve hiçbir fotovoltaik etki ortaya çıkmaz (Şekil 1f). 50 K'deki ölçüme benzer şekilde, IV eğrileri anot elektrodu ışınlandığında zıt yöne hareket eder (Şekil 1g). Numunenin farklı pozisyonlarına lazer ışınlanmış 300 K'deki bu YBCO-Ag macun sistemi için elde edilen tüm bu sonuçlar, 50 K'de gözlemlenenin tersi bir arayüz potansiyeli ile tutarlıdır.
Süperiletken YBCO'da elektronların çoğu, geçiş sıcaklığı Tc'nin altında Cooper çiftlerinde yoğunlaşır. Metal elektrottayken, tüm elektronlar tekil formda kalır. Metal-süperiletken arayüzünün yakınında hem tekil elektronlar hem de Cooper çiftleri için büyük bir yoğunluk gradyanı vardır. Metalik malzemedeki çoğunluk taşıyıcı tekil elektronlar süperiletken bölgesine yayılırken, YBCO bölgesindeki çoğunluk taşıyıcı Cooper çiftleri metal bölgesine yayılır. Tekil elektronlardan daha fazla yük taşıyan ve daha büyük bir hareketliliğe sahip Cooper çiftleri YBCO'dan metalik bölgeye yayılırken, pozitif yüklü atomlar geride kalır ve bu da uzay yükü bölgesinde bir elektrik alanıyla sonuçlanır. Bu elektrik alanının yönü şematik diyagramda Şekil 1d'de gösterilmiştir. Uzay yükü bölgesinin yakınındaki olay foton aydınlatması, ters önyargı yönünde bir foto akım üreterek ayrılacak ve süpürülecek eh çiftleri oluşturabilir. Elektronlar yerleşik elektrik alanından çıkar çıkmaz çiftler halinde yoğunlaşır ve dirençsiz bir şekilde diğer elektroda akar. Bu durumda, Voc önceden ayarlanmış polaritenin tersidir ve lazer ışını negatif elektrot etrafındaki alanı gösterdiğinde negatif bir değer gösterir. Voc değerinden, arayüz boyunca potansiyel tahmin edilebilir: iki voltaj ucu arasındaki mesafe d ~5 × 10−3 m'dir, metal-süperiletken arayüzünün kalınlığı, di, YBCO süperiletkeninin koherans uzunluğuyla (~1 nm) aynı büyüklük mertebesinde olmalıdır19,20, Voc değerini = 0,03 mV alın, metal-süperiletken arayüzündeki potansiyel Vms, 502 mW/cm2 lazer yoğunluğuyla 50 K'de ~10−11 V olarak değerlendirilir, denklem kullanılarak,
Burada foto-indüklenen voltajın fototermal etki ile açıklanamayacağını vurgulamak istiyoruz. Süperiletken YBCO'nun Seebeck katsayısının Ss = 021 olduğu deneysel olarak belirlenmiştir. Bakır iletken teller için Seebeck katsayısı SCu = 0,34–1,15 μV/K3 aralığındadır. Lazer noktasındaki bakır telin sıcaklığı, 50 K'de mevcut maksimum lazer yoğunluğu ile 0,06 K gibi küçük bir miktarda yükseltilebilir. Bu, Şekil 1 (a)'da elde edilen Voc'den üç mertebe daha küçük olan 6,9 × 10−8 V'luk bir termoelektrik potansiyel üretebilir. Termoelektrik etkinin deneysel sonuçları açıklamak için çok küçük olduğu açıktır. Aslında, lazer ışınımından kaynaklanan sıcaklık değişimi bir dakikadan daha kısa sürede ortadan kalkacağından termal etkinin katkısı güvenle göz ardı edilebilir.
YBCO'nun oda sıcaklığındaki bu fotovoltaik etkisi, burada farklı bir yük ayırma mekanizmasının söz konusu olduğunu ortaya koymaktadır. Normal durumdaki süperiletken YBCO, yük taşıyıcısı olarak deliklere sahip p tipi bir malzemedir22,23, metalik Ag macunu ise n tipi bir malzemenin özelliklerine sahiptir. pn bağlantılarına benzer şekilde, gümüş macundaki elektronların ve YBCO seramiğindeki deliklerin difüzyonu, arayüzde YBCO seramiğine işaret eden bir iç elektrik alanı oluşturacaktır (Şekil 1h). Şekil 1e'de gösterildiği gibi, ayırma kuvvetini sağlayan ve oda sıcaklığında YBCO-Ag macun sistemi için pozitif bir Voc ve negatif bir Isc'ye yol açan bu iç alandır. Alternatif olarak, Ag-YBCO, yukarıda sunulan modelde olduğu gibi aynı polariteye sahip bir arayüz potansiyeline de yol açan bir p tipi Schottky bağlantısı oluşturabilir24.
YBCO'nun süperiletken geçişi sırasında fotovoltaik özelliklerin ayrıntılı evrim sürecini araştırmak için, katot elektrodunda aydınlatılan seçilmiş lazer yoğunluklarıyla 80 K'deki numunenin IV eğrileri ölçüldü (Şekil 2). Lazer ışınımı olmadan, numunenin iki ucu arasındaki voltaj akımdan bağımsız olarak sıfırda kalır ve bu da numunenin 80 K'deki süperiletken durumunu gösterir (Şekil 2a). 50 K'de elde edilen verilere benzer şekilde, I eksenine paralel IV eğrileri kritik bir Pc değerine ulaşana kadar artan lazer yoğunluğuyla aşağı doğru hareket eder. Bu kritik lazer yoğunluğunun (Pc) üzerinde, süperiletken süperiletken fazdan dirençli faza geçiş yapar; voltaj, süperiletkendeki direncin ortaya çıkması nedeniyle akımla birlikte artmaya başlar. Sonuç olarak, IV eğrisi I ekseni ve V ekseniyle kesişmeye başlar ve başlangıçta negatif bir Voc ve pozitif bir Isc'ye yol açar. Şimdi örnek, Voc ve Isc'nin polaritesinin ışık yoğunluğuna karşı aşırı duyarlı olduğu özel bir durumda görünüyor; ışık yoğunluğunda çok küçük bir artışla Isc pozitiften negatife ve Voc negatif değerden pozitife dönüşüyor ve orijini geçiyor (fotovoltaik özelliklerin, özellikle Isc değerinin ışık aydınlatmasına karşı yüksek duyarlılığı Şekil 2b'de daha net görülebilir). Mevcut en yüksek lazer yoğunluğunda, IV eğrilerinin birbirine paralel olması amaçlanıyor ve bu da YBCO örneğinin normal durumunu gösteriyor.
Lazer nokta merkezi katot elektrotlarının etrafına yerleştirilmiştir (bkz. Şekil 1i). a, Farklı lazer yoğunluklarıyla ışınlanmış YBCO'nun IV eğrileri. b (üstte), Açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc'nin lazer yoğunluğuna bağımlılığı. Isc değerleri düşük ışık yoğunluğunda (< 110 mW/cm2) elde edilemez çünkü numune süperiletken durumdayken IV eğrileri I eksenine paraleldir. b (altta), lazer yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak diferansiyel direnç.
Voc ve Isc'nin 80 K'deki lazer yoğunluğu bağımlılığı Şekil 2b'de (üstte) gösterilmiştir. Fotovoltaik özellikler ışık yoğunluğunun üç bölgesinde tartışılabilir. İlk bölge 0 ile Pc arasındadır, burada YBCO süperiletkendir, Voc negatiftir ve ışık yoğunluğuyla azalır (mutlak değer artar) ve Pc'de minimuma ulaşır. İkinci bölge Pc'den başka bir kritik yoğunluk P0'a kadardır, burada Voc artarken Isc ışık yoğunluğunun artmasıyla azalır ve her ikisi de P0'da sıfıra ulaşır. Üçüncü bölge YBCO'nun normal durumuna ulaşana kadar P0'ın üzerindedir. Hem Voc hem de Isc, bölge 2'deki gibi ışık yoğunluğuna göre değişse de, kritik yoğunluk P0'ın üzerinde zıt polariteye sahiptirler. P0'ın önemi, fotovoltaik etki olmaması ve yük ayırma mekanizmasının bu belirli noktada nitel olarak değişmesidir. YBCO örneği bu ışık yoğunluğu aralığında süperiletken olmayan hale gelir, ancak normal duruma henüz ulaşılamamıştır.
Açıkça, sistemin fotovoltaik özellikleri YBCO'nun süperiletkenliği ve süperiletken geçişiyle yakından ilişkilidir. YBCO'nun diferansiyel direnci, dV/dI, Şekil 2b'de (altta) lazer yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak gösterilmiştir. Daha önce belirtildiği gibi, Cooper çifti difüzyonundan kaynaklanan arayüzdeki yerleşik elektrik potansiyeli süperiletkenden metale doğru yönelir. 50 K'de gözlemlenenle benzer şekilde, fotovoltaik etki 0'dan Pc'ye kadar artan lazer yoğunluğuyla artar. Lazer yoğunluğu Pc'nin biraz üzerindeki bir değere ulaştığında, IV eğrisi eğilmeye başlar ve numunenin direnci belirmeye başlar, ancak arayüz potansiyelinin polaritesi henüz değişmemiştir. Optik uyarımın süperiletkenlik üzerindeki etkisi görünür veya yakın-IR bölgesinde araştırılmıştır. Temel işlem Cooper çiftlerini parçalamak ve süperiletkenliği yok etmek olsa da25,26, bazı durumlarda süperiletkenlik geçişi geliştirilebilir27,28,29, hatta yeni süperiletkenlik fazları bile indüklenebilir30. Pc'de süperiletkenliğin olmaması foto-indüklenmiş çift kırılmasına atfedilebilir. P0 noktasında, arayüz boyunca potansiyel sıfıra iner ve bu da arayüzün her iki tarafındaki yük yoğunluğunun bu belirli ışık aydınlatma yoğunluğu altında aynı seviyeye ulaştığını gösterir. Lazer yoğunluğundaki daha fazla artış daha fazla Cooper çiftinin yok olmasıyla sonuçlanır ve YBCO kademeli olarak p tipi bir malzemeye geri dönüşür. Elektron ve Cooper çifti difüzyonu yerine, arayüzün özelliği artık elektron ve delik difüzyonu tarafından belirlenir ve bu da arayüzdeki elektrik alanının polaritesinin tersine dönmesine ve sonuç olarak pozitif bir Voc'ye yol açar (Şekil 1d, h ile karşılaştırın). Çok yüksek lazer yoğunluğunda, YBCO'nun diferansiyel direnci normal duruma karşılık gelen bir değere doyurulur ve hem Voc hem de Isc lazer yoğunluğuyla doğrusal olarak değişme eğilimindedir (Şekil 2b). Bu gözlem, normal durum YBCO'daki lazer ışınımının artık direncini ve süperiletken-metal arayüzünün özelliğini değiştirmeyeceğini, ancak yalnızca elektron-delik çiftlerinin konsantrasyonunu artıracağını ortaya koymaktadır.
Sıcaklığın fotovoltaik özellikler üzerindeki etkisini araştırmak için, metal-süperiletken sistem katotta 502 mW/cm2 yoğunluklu mavi lazerle ışınlandı. 50 ile 300 K arasındaki seçili sıcaklıklarda elde edilen IV eğrileri Şekil 3a'da verilmiştir. Açık devre voltajı Voc, kısa devre akımı Isc ve diferansiyel direnç daha sonra bu IV eğrilerinden elde edilebilir ve Şekil 3b'de gösterilmiştir. Işık aydınlatması olmadan, farklı sıcaklıklarda ölçülen tüm IV eğrileri beklendiği gibi orijini geçer (Şekil 3a'nın ek parçası). Sistem nispeten güçlü bir lazer ışınıyla (502 mW/cm2) aydınlatıldığında IV özellikleri artan sıcaklıkla birlikte büyük ölçüde değişir. Düşük sıcaklıklarda IV eğrileri, negatif Voc değerlerine sahip I eksenine paralel düz çizgilerdir. Bu eğri artan sıcaklıkla birlikte yukarı doğru hareket eder ve kademeli olarak kritik bir sıcaklık olan Tcp'de sıfır olmayan eğime sahip bir çizgiye dönüşür (Şekil 3a (üst)). Görünüşe göre tüm IV karakteristik eğrileri üçüncü kadrandaki bir nokta etrafında dönüyor. Voc negatif bir değerden pozitif bir değere yükselirken Isc pozitif bir değerden negatif bir değere düşüyor. YBCO'nun orijinal süperiletken geçiş sıcaklığı Tc'nin üzerinde, IV eğrisi sıcaklıkla oldukça farklı şekilde değişiyor (Şekil 3a'nın altı). İlk olarak, IV eğrilerinin dönüş merkezi ilk kadrana doğru hareket ediyor. İkinci olarak, Voc azalmaya devam ediyor ve Isc artan sıcaklıkla birlikte artıyor (Şekil 3b'nin üstü). Üçüncü olarak, IV eğrilerinin eğimi sıcaklıkla doğrusal olarak artıyor ve bu da YBCO için pozitif bir sıcaklık direnç katsayısıyla sonuçlanıyor (Şekil 3b'nin altı).
502 mW/cm2 lazer aydınlatma altında YBCO-Ag macun sisteminin fotovoltaik özelliklerinin sıcaklığa bağımlılığı.
Lazer nokta merkezi katot elektrotlarının etrafına yerleştirilir (bkz. Şekil 1i). a, 50 ila 90 K (üst) ve 100 ila 300 K (alt) arasında sırasıyla 5 K ve 20 K'lik bir sıcaklık artışıyla elde edilen IV eğrileri. Ek a, karanlıkta çeşitli sıcaklıklarda IV karakteristiklerini gösterir. Tüm eğriler orijin noktasını geçer. b, açık devre voltajı Voc ve kısa devre akımı Isc (üst) ve YBCO'nun diferansiyel direnci, dV/dI, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak (alt). Sıfır dirençli süperiletken geçiş sıcaklığı Tcp, Tc0'a çok yakın olduğu için verilmemiştir.
Şekil 3b'den üç kritik sıcaklık tanınabilir: YBCO'nun süperiletken olmayan hale geldiği Tcp; Voc ve Isc'nin her ikisinin de sıfıra indiği Tc0 ve lazer ışınımı olmadan YBCO'nun orijinal başlangıç süperiletken geçiş sıcaklığı olan Tc. Tcp ~ 55 K'nin altında, lazerle ışınlanmış YBCO, nispeten yüksek Cooper çifti konsantrasyonuyla süperiletken durumdadır. Lazer ışınımının etkisi, fotovoltaik voltaj ve akım üretmenin yanı sıra Cooper çifti konsantrasyonunu azaltarak sıfır dirençli süperiletken geçiş sıcaklığını 89 K'den ~ 55 K'ye düşürmektir (Şekil 3b'nin altı). Artan sıcaklık ayrıca Cooper çiftlerini parçalayarak arayüzde daha düşük bir potansiyele yol açar. Sonuç olarak, aynı yoğunlukta lazer aydınlatması uygulanmasına rağmen Voc'nin mutlak değeri daha küçük hale gelecektir. Arayüz potansiyeli, sıcaklıktaki daha fazla artışla daha da küçülecek ve Tc0'da sıfıra ulaşacaktır. Bu özel noktada fotovoltaik etki yoktur çünkü foto-indüklenen elektron-delik çiftlerini ayıracak bir iç alan yoktur. Bu kritik sıcaklığın üzerinde potansiyelin polaritesi tersine döner, çünkü Ag macunundaki serbest yük yoğunluğu YBCO'dakinden daha fazladır ve bu da kademeli olarak p tipi bir malzemeye geri aktarılır. Burada, Voc ve Isc'nin polaritesinin tersine dönmesinin, geçişin nedenine bakılmaksızın sıfır dirençli süperiletken geçişinden hemen sonra gerçekleştiğini vurgulamak istiyoruz. Bu gözlem, süperiletkenlik ile metal-süperiletken arayüz potansiyeli ile ilişkili fotovoltaik etkiler arasındaki ilişkiyi ilk kez açıkça ortaya koymaktadır. Süperiletken-normal metal arayüzü boyunca bu potansiyelin doğası son birkaç on yıldır bir araştırma odağı olmuştur ancak hala cevaplanmayı bekleyen birçok soru vardır. Fotovoltaik etkinin ölçülmesi, bu önemli potansiyelin ayrıntılarını (gücü ve polaritesi vb. gibi) keşfetmek ve dolayısıyla yüksek sıcaklık süperiletken yakınlık etkisine ışık tutmak için etkili bir yöntem olduğunu kanıtlayabilir.
Sıcaklığın Tc0'dan Tc'ye doğru daha fazla artması Cooper çiftlerinin daha küçük bir konsantrasyonuna ve arayüz potansiyelinde bir artışa ve dolayısıyla daha büyük Voc'ye yol açar. Tc'de Cooper çifti konsantrasyonu sıfıra iner ve arayüzdeki yerleşik potansiyel maksimuma ulaşır, bu da maksimum Voc ve minimum Isc ile sonuçlanır. Bu sıcaklık aralığında Voc ve Isc'nin (mutlak değer) hızlı artışı, 502 mW/cm2 yoğunluklu lazer ışınımıyla ΔT ~ 3 K'den ~ 34 K'ye genişletilen süperiletken geçişe karşılık gelir (Şekil 3b). Tc'nin üzerindeki normal durumlarda, açık devre voltajı Voc sıcaklıkla azalır (Şekil 3b'nin üstü), pn bağlantılarına dayalı normal güneş hücreleri için Voc'nin doğrusal davranışına benzer şekilde31,32,33. Voc'nin sıcaklıkla değişim oranı (-dVoc/dT), lazer yoğunluğuna büyük ölçüde bağlı olmasına rağmen, normal güneş hücrelerininkinden çok daha küçük olmasına rağmen, YBCO-Ag bağlantısı için Voc'nin sıcaklık katsayısı güneş hücrelerininkiyle aynı büyüklük mertebesindedir. Normal bir güneş hücresi aygıtı için bir pn bağlantısının sızıntı akımı, artan sıcaklıkla birlikte artar ve sıcaklık arttıkça Voc'de bir azalmaya yol açar. Bu Ag-süperiletken sistemi için gözlemlenen doğrusal IV eğrileri, öncelikle çok küçük arayüz potansiyeli ve ikinci olarak iki hetero bağlantının sırt sırta bağlantısı nedeniyle sızıntı akımını belirlemeyi zorlaştırır. Bununla birlikte, sızıntı akımının aynı sıcaklık bağımlılığının deneyimizde gözlemlenen Voc davranışından sorumlu olması çok olası görünüyor. Tanıma göre, Isc, Voc'yi telafi etmek için negatif bir voltaj üretmek için gereken akımdır, böylece toplam voltaj sıfır olur. Sıcaklık arttıkça, Voc küçülür, böylece negatif voltajı üretmek için daha az akım gerekir. Ayrıca, YBCO'nun direnci Tc'nin üzerindeki sıcaklıkla doğrusal olarak artar (Şekil 3b'nin alt kısmı), bu da yüksek sıcaklıklarda Isc'nin mutlak değerinin daha küçük olmasına katkıda bulunur.
Şekil 2,3'te verilen sonuçların katot elektrotları etrafındaki alanda lazer ışınımıyla elde edildiğine dikkat edin. Ölçümler ayrıca anotta konumlandırılmış lazer noktasıyla tekrarlanmış ve benzer IV özellikleri ve fotovoltaik özellikler gözlemlenmiştir, ancak bu durumda Voc ve Isc'nin polaritesi tersine çevrilmiştir. Tüm bu veriler, süperiletken-metal arayüzüyle yakından ilişkili olan fotovoltaik etki için bir mekanizmaya yol açar.
Özetle, lazer ışınlanmış süperiletken YBCO-Ag macun sisteminin IV karakteristikleri sıcaklık ve lazer yoğunluğunun fonksiyonları olarak ölçülmüştür. 50 ila 300 K sıcaklık aralığında dikkate değer fotovoltaik etki gözlemlenmiştir. Fotovoltaik özelliklerin YBCO seramiklerinin süperiletkenliğiyle güçlü bir şekilde ilişkili olduğu bulunmuştur. Voc ve Isc'nin polarite tersine dönmesi, foto-indüklenmiş süperiletkenlikten süperiletken olmayana geçişten hemen sonra meydana gelir. Sabit lazer yoğunluğunda ölçülen Voc ve Isc'nin sıcaklık bağımlılığı, numunenin dirençli hale geldiği kritik bir sıcaklıkta da belirgin bir polarite tersine dönmesini göstermektedir. Lazer noktasını numunenin farklı bir bölümüne yerleştirerek, arayüz boyunca foto-indüklenmiş elektron-delik çiftleri için ayırma kuvveti sağlayan bir elektrik potansiyelinin var olduğunu gösteriyoruz. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda doğru yönelir ve numune süperiletken olmayan hale geldiğinde zıt yöne geçer. Potansiyelin kökeni, YBCO süperiletken olduğunda metal-süperiletken arayüzündeki yakınlık etkisiyle doğal olarak ilişkili olabilir ve 502 mW/cm2 lazer yoğunluğunda 50 K'de ~10−8 mV olduğu tahmin edilmektedir. Normal durumdaki p-tipi bir malzeme YBCO'nun n-tipi bir malzeme Ag-macunu ile teması, yüksek sıcaklıklarda YBCO seramiklerinin fotovoltaik davranışından sorumlu olan bir yarı-pn bağlantısı oluşturur. Yukarıdaki gözlemler, yüksek sıcaklık süperiletken YBCO seramiklerindeki PV etkisine ışık tutar ve hızlı pasif ışık dedektörü ve tek foton dedektörü gibi optoelektronik cihazlarda yeni uygulamalara giden yolu açar.
Fotovoltaik etki deneyleri, 0,52 mm kalınlığında ve 8,64 × 2,26 mm2 dikdörtgen şekilli ve 1,25 mm yarıçapında lazer nokta boyutuna sahip sürekli dalga mavi lazer (λ = 450 nm) ile aydınlatılan bir YBCO seramik numunesi üzerinde gerçekleştirildi. İnce film numunesi yerine yığın numunesi kullanmak, alt tabakanın karmaşık etkisiyle uğraşmak zorunda kalmadan süperiletkenin fotovoltaik özelliklerini incelememizi sağlar6,7. Dahası, yığın malzeme basit hazırlama prosedürü ve nispeten düşük maliyeti için elverişli olabilir. Bakır iletken teller, yaklaşık 1 mm çapında dört dairesel elektrot oluşturan gümüş macunla YBCO numunesi üzerinde birleştirilir. İki voltaj elektrodu arasındaki mesafe yaklaşık 5 mm'dir. Numunenin IV karakteristikleri, kuvars kristal pencereli titreşim numune manyetometresi (VersaLab, Quantum Design) kullanılarak ölçüldü. IV eğrilerini elde etmek için standart dört telli yöntem kullanıldı. Elektrotların ve lazer noktasının göreceli konumları Şekil 1i'de gösterilmiştir.
Bu makaleye nasıl atıfta bulunulur: Yang, F. ve diğerleri. Süperiletken YBa2Cu3O6.96 seramiklerinde fotovoltaik etkinin kökeni. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG ve Testardi, LR YBa2Cu3O7'de simetri yasaklı lazer kaynaklı voltajlar. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP ve Dong, SY Y-Ba-Cu-O'daki anormal fotovoltaik sinyalin kökeni. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR ve Wang, GW Süperiletken Bi-Sr-Ca-Cu-O'nun lazerle indüklenen voltajlarının ölçümü. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, ve diğerleri. YBa2Cu3O7-x'in oda sıcaklığındaki filmlerinde geçici lazer kaynaklı voltajlar. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS ve Zheng, JP YBa2Cu3O7'de anormal fotovoltaik tepki. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. ve Hiroi, Z. Bir oksit hetero yapısındaki YBa2Cu3O7−x'e fotojenerasyonlu delik taşıyıcı enjeksiyonu. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. ve diğerleri. Işık aydınlatması altında YBa2Cu3Oy ince filmlerinin fotoemisyon çalışması. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. ve diğerleri. Farklı oksijen kısmi basıncında tavlanmış YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunsiyonunun fotovoltaik etkisi. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA ve diğerleri. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x tek kristallerinde iki boşluklu yapı. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. ve Mihailovic, D. Farklı boşluk yapılarına sahip süperiletkenlerde kuasipartikül gevşeme dinamikleri: YBa2Cu3O7-δ üzerine teori ve deneyler. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ ve Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunksiyonunun doğrultucu özellikleri. Uygulama Fiziği Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL ve Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ'de eksitonik emilim ve süperiletkenlik. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3'ün yarı iletken tek kristallerinde geçici fotoindüklenmiş iletkenlik: fotoindüklenmiş metalik durum ve fotoindüklenmiş süperiletkenlik için araştırma. Katı Hal İletişimi. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Süperiletken yakınlık etkisinin tünelleme modeli. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. ve diğerleri. Mezoskopik uzunluk ölçeğinde araştırılan süperiletken yakınlık etkisi. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Merkez simetrik olmayan süperiletkenlerde yakınlık etkisi. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM ve diğerleri. Pb-Bi2Te3 hibrit yapılarında güçlü süperiletken yakınlık etkisi. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS ve Pearson, GL Güneş radyasyonunu elektrik enerjisine dönüştürmek için yeni bir silikon pn bağlantı fotoseli. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn veya Ni katkılı YBa2Cu3O6.9 tek kristallerinde süperiletken koherans uzunluğu üzerinde safsızlığın etkileri. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. ve Segawa, K. Geniş bir katkılama aralığında ikizlenmemiş YBa2Cu3Oy tek kristallerinin manyetodirenci: koherens uzunluğunun anormal delik katkılama bağımlılığı. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD ve Cooper, JR Yüksek T oksitlerin termoelektrik gücünde sistematiği. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. ve diğerleri. p tipi yüksek Tc süperiletkenlerde tutarlı tepe ve LO fonon modunun taşıyıcı yoğunluğuna bağlı momentum kayması. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. ve diğerleri. Elektrokimyasal bir teknik kullanılarak YBa2Cu3Oy ince filmlerinde delik indirgemesi ve elektron birikimi: n tipi metalik bir durum için kanıt. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Schottky bariyer yüksekliğinin fiziği ve kimyası. Uygulamalı Fizik Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Süperiletken Filmlerde Dinamik Dış Çift Kırılmasının Etkileri. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. ve diğerleri. Fotoindüklenen süperiletkenliğin artırılması. Uygulama Fiziği Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI ve diğerleri. Metalik ve süperiletken fazlara doğru fotodoping yöntemi olarak YBa2Cu3O6+x filmlerinde kalıcı fotoiletkenlik. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. ve diğerleri. YBa2Cu3O6.5'te gelişmiş süperiletkenliğin temeli olarak doğrusal olmayan kafes dinamikleri. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. ve diğerleri. Şerit düzenli bir kupratta ışık kaynaklı süperiletkenlik. Bilim 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK ve Al-Nuaim, IA Bir güneş hücresi için VOC'nin verimliliğine ilişkin sıcaklık fonksiyonel bağımlılığı yeni yaklaşım. Tuzdan arındırma 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM ve Anderson, WA Schottky bariyerli silikon güneş hücrelerinde sıcaklık etkileri. Uygulama Fiziği Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. ve Tuladhar, SM Çalışma koşulları altında polimer-fullerene güneş hücrelerinin fotovoltaik cihaz parametreleri için sıcaklık bağımlılığı. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Hibe No. 60571063) ve Çin, Henan Eyaleti Temel Araştırma Projeleri (Hibe No. 122300410231) tarafından desteklenmiştir.
FY makalenin metnini yazdı ve MYH YBCO seramik örneğini hazırladı. FY ve MYH deneyi gerçekleştirdi ve sonuçları analiz etti. FGC projeye ve verilerin bilimsel yorumlanmasına öncülük etti. Tüm yazarlar el yazmasını inceledi.
Bu eser Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası Lisansı altında lisanslanmıştır. Bu makaledeki görseller veya diğer üçüncü taraf materyalleri, aksi kredi satırında belirtilmediği sürece makalenin Creative Commons lisansına dahildir; materyal Creative Commons lisansı altında yer almıyorsa, kullanıcıların materyali yeniden üretmek için lisans sahibinden izin almaları gerekir. Bu lisansın bir kopyasını görüntülemek için http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ adresini ziyaret edin.
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Süperiletken YBa2Cu3O6.96 seramiklerinde fotovoltaik etkinin kökeni. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Yorum göndererek Şartlarımıza ve Topluluk Kurallarımıza uymayı kabul etmiş olursunuz. Kötüye kullanım içeren veya şartlarımıza veya kurallarımıza uymayan bir şey bulursanız lütfen uygunsuz olarak işaretleyin.
Gönderi zamanı: 22-Nis-2020