nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. CSS desteği sınırlı olan 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, desteğin devamını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
YBa2Cu3O6.96 (YBCO) seramiğinde, 50 ile 300 K arasında mavi lazer ışınımıyla indüklenen ve YBCO'nun süperiletkenliği ve YBCO-metal elektrot arayüzü ile doğrudan ilişkili olan dikkat çekici bir fotovoltaik etki rapor ediyoruz. YBCO süperiletken halden dirençli hale geçtiğinde, açık devre gerilimi Voc ve kısa devre akımı Isc için kutup değişimi meydana gelir. Süperiletken-normal metal arayüzü boyunca, foto-indüklenen elektron-delik çiftleri için ayırma kuvveti sağlayan bir elektriksel potansiyelin var olduğunu gösteriyoruz. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda doğru yönelir ve YBCO süperiletkenliğini kaybettiğinde ters yöne döner. Potansiyelin kökeni, YBCO süperiletken olduğunda metal-süperiletken arayüzündeki yakınlık etkisiyle kolayca ilişkilendirilebilir ve değeri 502 mW/cm2 lazer yoğunluğunda 50 K'de ~10–8 mV olarak tahmin edilmektedir. Normal haldeki p-tipi YBCO malzemesi ile n-tipi Ag macununun birleşimi, yüksek sıcaklıklarda YBCO seramiklerinin fotovoltaik davranışından sorumlu olan yarı pn eklemi oluşturur. Bulgularımız, foton-elektronik cihazların yeni uygulamalarına yol açabilir ve süperiletken-metal arayüzündeki yakınlık etkisine daha fazla ışık tutabilir.
Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde foto-indüklenen voltaj, 1990'ların başlarında rapor edilmiş ve o zamandan beri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır, ancak doğası ve mekanizması hala çözüme kavuşturulmamıştır1,2,3,4,5. Özellikle YBa2Cu3O7-δ (YBCO) ince filmler6,7,8, ayarlanabilir enerji aralığı nedeniyle fotovoltaik (PV) hücre şeklinde yoğun olarak incelenmektedir9,10,11,12,13. Bununla birlikte, alt tabakanın yüksek direnci her zaman cihazın düşük dönüşüm verimliliğine yol açar ve YBCO'nun birincil PV özelliklerini maskeler8. Burada, 50 ile 300 K (Tc ~ 90 K) arasında YBa2Cu3O6.96 (YBCO) seramiğinde mavi lazer (λ = 450 nm) aydınlatmasıyla indüklenen dikkat çekici bir fotovoltaik etkiyi rapor ediyoruz. PV etkisinin doğrudan YBCO'nun süperiletkenliği ve YBCO-metalik elektrot arayüzünün doğasıyla ilgili olduğunu gösteriyoruz. YBCO süperiletken fazdan dirençli duruma geçtiğinde açık devre gerilimi Voc ve kısa devre akımı Isc için kutup değişimi meydana gelir. Süperiletken-normal metal arayüzü boyunca, foto-indüklenen elektron-delik çiftleri için ayırma kuvveti sağlayan bir elektriksel potansiyelin var olduğu öne sürülmektedir. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda doğru yönelir ve numune süperiletkenliğini kaybettiğinde ters yöne döner. Potansiyelin kaynağı, YBCO süperiletken olduğunda metal-süperiletken arayüzündeki yakınlık etkisiyle14,15,16,17 doğal olarak ilişkilendirilebilir ve değeri 50 K'de 502 mW/cm2 lazer yoğunluğuyla ~10−8 mV olarak tahmin edilmektedir. Normal durumdaki p-tipi bir malzeme olan YBCO'nun n-tipi bir malzeme olan Ag macunu ile birleşimi, büyük olasılıkla, yüksek sıcaklıklarda YBCO seramiklerinin fotovoltaik davranışından sorumlu olan bir yarı-pn eklemi oluşturur. Yaptığımız gözlemler, yüksek sıcaklıkta süper iletken YBCO seramiklerinde fotovoltaik etkinin kökenine dair daha fazla bilgi sağlamakta ve hızlı pasif ışık dedektörü gibi optoelektronik cihazlarda uygulanmasının önünü açmaktadır.
Şekil 1a–c, 50 K'deki YBCO seramik numunesinin IV özelliklerini göstermektedir. Işıklandırma olmadan, numune üzerindeki voltaj, süper iletken bir malzemeden beklenebileceği gibi, akım değişimiyle sıfırda kalır. Lazer ışını katoda yönlendirildiğinde belirgin bir 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 voltajın (genellikle açık devre voltajı Voc olarak adlandırılır) olduğu açıktır. IV eğrisinin sıfır eğimi, numunenin lazer aydınlatması altında hala süper iletken olduğunu gösterir.
(a–c) ve 300 K (e–g). V(I) değerleri, vakumda akımın -10 mA'dan +10 mA'ya taranmasıyla elde edilmiştir. Açıklık sağlamak amacıyla deneysel verilerin yalnızca bir kısmı sunulmuştur. a, Katoda konumlandırılmış lazer noktasıyla ölçülen YBCO'nun akım-gerilim karakteristikleri (i). Tüm IV eğrileri, numunenin lazer ışınlamasıyla hala süper iletken olduğunu gösteren yatay düz çizgilerdir. Eğri, artan lazer yoğunluğuyla aşağı doğru hareket eder; bu da sıfır akımda bile iki gerilim ucu arasında negatif bir potansiyel (Voc) olduğunu gösterir. Lazer, 50 K'de (b) veya 300 K'de (f) numunenin merkezine yönlendirildiğinde IV eğrileri değişmeden kalır. Anot aydınlatıldığında yatay çizgi yukarı doğru hareket eder (c). 50 K'deki metal-süperiletken bağlantısının şematik modeli d'de gösterilmiştir. Normal haldeki YBCO'nun 300 K'deki akım-gerilim karakteristikleri, katot ve anoda yönlendirilmiş lazer ışınıyla ölçülmüştür ve sırasıyla e ve g'de verilmiştir. 50 K'deki sonuçların aksine, düz çizgilerin sıfırdan farklı eğimi, YBCO'nun normal halde olduğunu gösterir; Voc değerleri, ışık yoğunluğuyla ters yönde değişmekte olup, farklı bir yük ayrışma mekanizmasını göstermektedir. 300 K'deki olası bir arayüz yapısı hj'de gösterilmiştir. İletkenli numunenin gerçek görüntüsü.
Süperiletken haldeki oksijence 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 emilimiyle açık devre voltajı Voc üretmek için, rekombinasyon gerçekleşmeden önce foto-oluşturulan eh çiftlerinin uzamsal olarak ayrılması gereklidir18. Şekil 1i'de gösterildiği gibi katot ve anoda göre negatif Voc, metal-süperiletken arayüzü boyunca bir elektriksel potansiyelin var olduğunu ve bunun elektronları anoda, delikleri ise katoda doğru sürüklediğini göstermektedir. Eğer durum böyleyse, anotta süperiletkenden metal elektroda doğru yönelen bir potansiyel de olmalıdır. Sonuç olarak, anoda yakın numune alanı aydınlatıldığında pozitif bir Voc elde edilir. Ayrıca, lazer noktası elektrotlardan uzak alanlara yönlendirildiğinde foto-indüklenen voltajlar olmamalıdır. Şekil 1b,c'den görülebileceği gibi bu kesinlikle böyledir!
Işık noktası katot elektrottan numunenin merkezine (arayüzlerden yaklaşık 1,25 mm uzaklıkta) doğru hareket ettiğinde, lazer yoğunluğu mevcut maksimum değere kadar artırıldığında IV eğrilerinde herhangi bir değişiklik ve Voc gözlemlenmemektedir (Şekil 1b). Doğal olarak, bu sonuç, foto-indüklenen taşıyıcıların sınırlı ömrüne ve numunede ayırma kuvvetinin olmamasına bağlanabilir. Numune aydınlatıldığında elektron-delik çiftleri oluşturulabilir, ancak lazer noktası elektrotlardan uzaktaki alanlara düşerse, e-h çiftlerinin çoğu yok olur ve fotovoltaik etki gözlemlenmez. Lazer noktasını anot elektrotlarına doğru hareket ettirdiğimizde, I eksenine paralel IV eğrileri lazer yoğunluğu arttıkça yukarı doğru hareket eder (Şekil 1c). Anotta metal-süperiletken bağlantısında benzer bir dahili elektrik alanı mevcuttur. Bununla birlikte, bu sefer metalik elektrot test sisteminin pozitif ucuna bağlanır. Lazer tarafından üretilen delikler anot ucuna itilir ve böylece pozitif bir Voc gözlemlenir. Burada sunulan sonuçlar, süperiletkenden metal elektroda doğru yönelen bir arayüz potansiyelinin gerçekten var olduğuna dair güçlü kanıtlar sağlamaktadır.
Şekil 1e-g'de 300 K'de YBa2Cu3O6.96 seramiklerinde fotovoltaik etki gösterilmektedir. Işıklandırma olmadan, numunenin IV eğrisi orijinden geçen düz bir çizgidir. Bu düz çizgi, katot uçlarına uygulanan lazer ışınımının artmasıyla orijinaline paralel olarak yukarı doğru hareket eder (Şekil 1e). Fotovoltaik bir cihaz için iki önemli sınırlayıcı durum vardır. Kısa devre durumu V = 0 olduğunda meydana gelir. Bu durumda akıma kısa devre akımı (Isc) denir. İkinci sınırlayıcı durum, R→∞ veya akımın sıfır olduğu açık devre durumudur (Voc). Şekil 1e, 50 K'de elde edilen sonucun aksine, Voc'nin pozitif olduğunu ve artan ışık yoğunluğuyla arttığını açıkça göstermektedir; negatif bir Isc ise ışıklandırmayla birlikte büyüklüğünün arttığı gözlemlenir, bu da normal güneş pillerinin tipik bir davranışıdır.
Benzer şekilde, lazer ışını elektrotlardan uzaktaki alanlara yönlendirildiğinde, V(I) eğrisi lazer yoğunluğundan bağımsızdır ve fotovoltaik etki görülmez (Şekil 1f). 50 K'deki ölçüme benzer şekilde, anot elektrotu ışınlandığında IV eğrileri ters yöne doğru hareket eder (Şekil 1g). Bu YBCO-Ag macun sistemi için 300 K'de, numunenin farklı pozisyonlarında lazer ışınlamasıyla elde edilen tüm bu sonuçlar, 50 K'de gözlemlenenin tersi yönde bir arayüz potansiyeliyle tutarlıdır.
Süperiletken YBCO'da elektronların çoğu, geçiş sıcaklığı Tc'nin altında Cooper çiftlerinde yoğunlaşır. Metal elektrot içinde ise tüm elektronlar tekil halde kalır. Metal-süperiletken arayüzünün yakınında hem tekil elektronlar hem de Cooper çiftleri için büyük bir yoğunluk gradyanı vardır. Metalik malzemede çoğunluk taşıyıcısı olan tekil elektronlar süperiletken bölgeye yayılırken, YBCO bölgesindeki çoğunluk taşıyıcısı olan Cooper çiftleri metal bölgeye yayılır. Tekil elektronlardan daha fazla yüke sahip ve daha yüksek hareketliliğe sahip Cooper çiftleri YBCO'dan metalik bölgeye yayıldıkça, geride pozitif yüklü atomlar kalır ve bu da uzay yükü bölgesinde bir elektrik alanı oluşturur. Bu elektrik alanının yönü Şekil 1d'deki şematik diyagramda gösterilmiştir. Uzay yükü bölgesinin yakınındaki gelen foton aydınlatması, ayrılacak ve dışarı doğru süpürülecek olan eh çiftleri oluşturabilir ve ters kutuplama yönünde bir fotoakım üretebilir. Elektronlar yerleşik elektrik alanından çıktıkları anda çiftler halinde yoğunlaşır ve dirençsiz bir şekilde diğer elektroda akarlar. Bu durumda, Voc önceden belirlenmiş polaritenin tersidir ve lazer ışını negatif elektrotun etrafındaki alana yöneldiğinde negatif bir değer gösterir. Voc değerinden, arayüz boyunca potansiyel tahmin edilebilir: iki voltaj iletkeni arasındaki mesafe d ~5 × 10−3 m'dir, metal-süperiletken arayüzünün kalınlığı di, YBCO süperiletkeninin koherans uzunluğuyla (~1 nm)19,20 aynı büyüklük mertebesinde olmalıdır, Voc = 0,03 mV değerini alırsak, metal-süperiletken arayüzündeki potansiyel Vms, 502 mW/cm2 lazer yoğunluğu ile 50 K'de ~10−11 V olarak değerlendirilir, denklem kullanılarak,
Burada, foto-indüklenen voltajın fototermal etkiyle açıklanamayacağını vurgulamak istiyoruz. Süperiletken YBCO'nun Seebeck katsayısının Ss = 0,21 olduğu deneysel olarak belirlenmiştir. Bakır iletken tellerin Seebeck katsayısı SCu = 0,34–1,15 μV/K3 aralığındadır. Lazer ışın noktasındaki bakır telin sıcaklığı, 50 K'de elde edilebilen maksimum lazer yoğunluğuyla 0,06 K gibi küçük bir miktarda artırılabilir. Bu, Şekil 1 (a)'da elde edilen Voc'den üç kat 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 ışınlamasından kaynaklanan sıcaklık değişimi bir dakikadan kısa sürede ortadan kalkacağından, termal etkinin katkısı güvenle göz ardı edilebilir.
Oda sıcaklığında YBCO'nun bu fotovoltaik etkisi, burada farklı bir yük ayrışma mekanizmasının söz konusu olduğunu ortaya koymaktadır. Normal durumda süperiletken YBCO, yük taşıyıcı olarak deliklere sahip bir p-tipi malzemedir22,23, oysa metalik Ag macunu n-tipi bir malzemenin özelliklerine sahiptir. pn eklemlerine benzer şekilde, gümüş macunundaki elektronların ve YBCO seramiğindeki deliklerin difüzyonu, arayüzde YBCO seramiğine doğru yönelen bir iç elektrik alanı oluşturacaktır (Şekil 1h). Bu iç alan, ayrışma kuvvetini sağlar ve Şekil 1e'de gösterildiği gibi, oda sıcaklığında YBCO-Ag macun sistemi için pozitif bir Voc ve negatif bir Isc'ye yol açar. Alternatif olarak, Ag-YBCO, yukarıda sunulan modeldekiyle aynı polariteye sahip bir arayüz potansiyeline yol açan bir p-tipi Schottky eklemi oluşturabilir24.
YBCO'nun süperiletken geçişi sırasında fotovoltaik özelliklerin ayrıntılı evrim sürecini incelemek için, katot elektroduna aydınlatılan seçilmiş lazer yoğunluklarıyla 80 K'deki numunenin IV eğrileri ölçüldü (Şekil 2). Lazer ışınlaması olmadan, numune üzerindeki voltaj akımdan bağımsız olarak sıfırda kalır ve bu da numunenin 80 K'de süperiletken durumda olduğunu gösterir (Şekil 2a). 50 K'de elde edilen verilere benzer şekilde, I eksenine paralel IV eğrileri, kritik bir değer Pc'ye ulaşılana kadar artan lazer yoğunluğuyla aşağı doğru hareket eder. Bu kritik lazer yoğunluğunun (Pc) üzerinde, süperiletken süperiletken fazdan dirençli faza geçiş yapar; süperiletkende direncin ortaya çıkması nedeniyle voltaj 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 numune, Voc ve Isc'nin polaritesinin ışık yoğunluğuna son derece duyarlı olduğu özel bir durumda görünüyor; ışık yoğunluğundaki çok küçük bir artışla Isc pozitiften negatife, Voc ise negatiften pozitife dönüşerek orijini geçiyor (fotovoltaik özelliklerin, özellikle Isc değerinin, ışık aydınlatmasına olan yüksek duyarlılığı Şekil 2b'de daha net görülebilir). Mevcut en yüksek lazer yoğunluğunda, IV eğrileri birbirine paralel olma eğilimindedir, bu da YBCO numunesinin normal durumunu gösterir.
Lazer ışın noktasının merkezi katot elektrotlarının etrafına yerleştirilmiştir (bkz. Şekil 1i). a, Farklı lazer yoğunluklarıyla ışınlanan YBCO'nun IV eğrileri. b (üst), Açık devre gerilimi Voc ve kısa devre akımı Isc'nin lazer yoğunluğuna bağlılığı. Düşük ışık yoğunluğunda (< 110 mW/cm2) Isc değerleri elde edilemez çünkü numune süper iletken haldeyken IV eğrileri I eksenine paraleldir. b (alt), lazer yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak diferansiyel direnç.
80 K'deki Voc ve Isc'nin lazer yoğunluğuna bağlılığı Şekil 2b'de (üstte) gösterilmiştir. Fotovoltaik özellikler, ışık yoğunluğunun üç bölgesinde tartışılabilir. Birinci bölge, YBCO'nun süper iletken olduğu, Voc'nin negatif olduğu ve ışık yoğunluğuyla azaldığı (mutlak değeri artar) ve Pc'de minimuma ulaştığı 0 ile Pc arasındadır. İkinci bölge, Pc'den başka bir kritik yoğunluk P0'a kadardır; burada Voc artarken Isc, artan ışık yoğunluğuyla azalır ve her ikisi de P0'da sıfıra ulaşır. Üçüncü bölge, YBCO'nun normal durumuna ulaşılana kadar P0'ın üzerindedir. Hem Voc hem de Isc, 2. bölgedeki gibi ışık yoğunluğuyla aynı şekilde değişse de, kritik yoğunluk P0'ın üzerinde zıt kutupluluğa sahiptirler. P0'ın önemi, fotovoltaik etkinin olmaması ve yük ayrışma mekanizmasının bu özel noktada niteliksel olarak değişmesidir. YBCO numunesi bu ışık yoğunluğu aralığında süper iletken olmaktan çıkar, ancak normal duruma henüz ulaşılmamıştır.
Açıkça görüldüğü üzere, 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 de belirtildiği gibi, süperiletkenden metale doğru Cooper çifti difüzyonu nedeniyle arayüzde oluşan yerleşik elektrik potansiyeli mevcuttur. 50 K'de gözlemlenene benzer şekilde, fotovoltaik etki, lazer yoğunluğunun 0'dan Pc'ye artmasıyla güçlenir. Lazer yoğunluğu Pc'nin biraz üzerinde bir değere ulaştığında, IV eğrisi eğilmeye başlar ve numunenin direnci görünmeye başlar, ancak arayüz potansiyelinin polaritesi henüz değişmez. Optik uyarımın süperiletkenlik üzerindeki etkisi, görünür veya yakın kızılötesi bölgede araştırılmıştır. Temel süreç Cooper çiftlerini parçalamak ve süperiletkenliği yok etmek olsa da25,26, bazı durumlarda süperiletkenlik geçişi artırılabilir27,28,29, hatta yeni süperiletkenlik fazları bile indüklenebilir30. Pc'de süperiletkenliğin olmaması, foto-indüklenen çift kırılmasına bağlanabilir. P0 noktasında, arayüz boyunca potansiyel sıfır olur, bu da arayüzün her iki tarafındaki yük yoğunluğunun bu özel ışık yoğunluğu altında aynı seviyeye ulaştığını gösterir. Lazer yoğunluğunun daha da artması, daha fazla Cooper çiftinin yok olmasına ve YBCO'nun kademeli olarak p-tipi bir malzemeye dönüşmesine neden olur. Elektron ve Cooper çifti difüzyonu yerine, arayüzün özelliği artık elektron ve delik difüzyonu tarafından belirlenir; bu da arayüzdeki elektrik alanının kutup tersine çevrilmesine ve dolayısıyla 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 doygunluğa ulaşır ve hem Voc hem de Isc, lazer yoğunluğuyla doğrusal olarak değişme eğilimindedir (Şekil 2b). Bu gözlem, normal durumdaki YBCO'ya lazer ışınlamasının artık özdirencini ve süperiletken-metal arayüzünün özelliğini değiştirmeyeceğini, yalnızca elektron-delik çiftlerinin konsantrasyonunu artıracağını ortaya koymaktadır.
Sıcaklığın fotovoltaik özellikler üzerindeki etkisini araştırmak için, metal-süperiletken sistem katottan 502 mW/cm2 yoğunluğunda mavi lazerle ışınlandı. 50 ile 300 K arasındaki seçilen sıcaklıklarda elde edilen IV eğrileri Şekil 3a'da verilmiştir. Açık devre gerilimi Voc, kısa devre akımı Isc ve diferansiyel direnç daha sonra bu IV eğrilerinden elde edilebilir ve Şekil 3b'de gösterilmiştir. Işıklandırma olmadan, farklı sıcaklıklarda ölçülen tüm IV eğrileri beklendiği gibi orijinden geçer (Şekil 3a'nın iç kısmı). Sistem nispeten güçlü bir lazer ışınıyla (502 mW/cm2) aydınlatıldığında, IV karakteristikleri sıcaklık artışıyla birlikte önemli ölçüde değişir. Düşük sıcaklıklarda IV eğrileri, I eksenine paralel ve negatif Voc değerlerine sahip düz çizgilerdir. Bu eğri, sıcaklık artışıyla yukarı doğru hareket eder ve kritik bir sıcaklık Tcp'de kademeli olarak sıfırdan farklı bir eğime sahip bir çizgiye dönüşür (Şekil 3a (üst)). Tüm IV karakteristik eğrilerinin üçüncü çeyrekteki bir nokta etrafında döndüğü görülmektedir. Voc negatif bir değerden pozitif bir değere yükselirken, Isc pozitif bir değerden negatif bir değere düşer. YBCO'nun orijinal süper iletken geçiş sıcaklığı Tc'nin üzerinde, IV eğrisi sıcaklıkla oldukça farklı şekilde değişir (Şekil 3a'nın alt kısmı). Birincisi, IV eğrilerinin dönme merkezi birinci kadrana doğru hareket eder. İkincisi, Voc azalmaya devam ederken Isc sıcaklık artışıyla birlikte artar (Şekil 3b'nin üst kısmı). Üçüncüsü, IV eğrilerinin eğimi sıcaklıkla doğrusal olarak artar ve bu da YBCO için pozitif bir direnç sıcaklık katsayısına neden olur (Şekil 3b'nin alt kısmı).
502 mW/cm2 lazer aydınlatması altında YBCO-Ag macun sisteminin fotovoltaik özelliklerinin sıcaklığa bağlılığı.
Lazer ışın noktasının merkezi katot elektrotlarının etrafına yerleştirilmiştir (bkz. Şekil 1i). a, 50 ila 90 K (üst) ve 100 ila 300 K (alt) arasında sırasıyla 5 K ve 20 K'lik sıcaklık artışlarıyla elde edilen IV eğrileri. Ek a, karanlıkta çeşitli sıcaklıklardaki IV karakteristiklerini göstermektedir. Tüm eğriler orijin noktasından geçmektedir. b, açık devre gerilimi Voc ve kısa devre akımı Isc (üst) ve YBCO'nun diferansiyel direnci, dV/dI, (alt) sıcaklığın bir fonksiyonu olarak. Sıfır dirençli süper iletken geçiş sıcaklığı Tcp, Tc0'a çok yakın olduğu için verilmemiştir.
Şekil 3b'den üç kritik sıcaklık belirlenebilir: YBCO'nun süper iletkenliğini kaybettiği Tcp; hem Voc hem de Isc'nin sıfır olduğu Tc0 ve lazer ışınlaması olmadan YBCO'nun orijinal süper iletken geçiş sıcaklığı olan Tc. Tcp ~ 55 K'nin altında, lazerle ışınlanmış YBCO, nispeten yüksek konsantrasyonda Cooper çifti ile süper iletken durumdadır. Lazer ışınlamasının etkisi, fotovoltaik voltaj ve akım üretmenin yanı sıra Cooper çifti konsantrasyonunu azaltarak sıfır dirençli süper iletken geçiş sıcaklığını 89 K'den ~55 K'ye (Şekil 3b'nin alt kısmı) düşürmektir. Sıcaklığın artması ayrıca Cooper çiftlerini parçalayarak arayüzde daha düşük bir potansiyele yol açar. Sonuç olarak, aynı lazer ışınlama yoğunluğu uygulansa bile Voc'nin mutlak değeri küçülecektir. Arayüz potansiyeli, sıcaklığın daha da artmasıyla giderek küçülecek ve Tc0'da sıfıra ulaşacaktır. Bu özel noktada fotovoltaik etki yoktur çünkü foto-indüklenen elektron-delik çiftlerini ayıracak bir iç alan bulunmamaktadır. Bu kritik sıcaklığın üzerinde, Ag macunundaki serbest yük yoğunluğu YBCO'dakinden daha büyük olduğu için potansiyelin kutupsallığı tersine döner ve bu da kademeli olarak p-tipi bir malzemeye geri aktarılır. Burada, Voc ve Isc'nin kutupsallığının tersine dönmesinin, geçişin nedeninden bağımsız olarak, sıfır dirençli süperiletken geçişinden hemen sonra gerçekleştiğini vurgulamak istiyoruz. Bu gözlem, ilk kez, süperiletkenlik ile metal-süperiletken arayüz potansiyeliyle ilişkili fotovoltaik etkiler arasındaki ilişkiyi açıkça ortaya koymaktadır. Süperiletken-normal metal arayüzü boyunca bu potansiyelin doğası, son birkaç on yıldır araştırma odağı olmuştur, ancak hala cevaplanmayı bekleyen birçok soru vardır. Fotovoltaik etkinin ölçümü, bu önemli potansiyelin ayrıntılarını (gücü ve kutupsallığı vb.) keşfetmek ve dolayısıyla yüksek sıcaklık süperiletken yakınlık etkisine ışık tutmak için etkili bir yöntem olabilir.
Sıcaklığın Tc0'dan Tc'ye daha da artması, Cooper çiftlerinin konsantrasyonunun azalmasına ve arayüz potansiyelinde artışa, dolayısıyla daha büyük bir Voc'ye yol açar. Tc'de Cooper çifti konsantrasyonu sıfır olur ve arayüzdeki yerleşik potansiyel maksimuma ulaşarak maksimum Voc ve minimum Isc ile sonuçlanır. Bu sıcaklık aralığında Voc ve Isc'nin (mutlak değer) hızlı artışı, 502 mW/cm2 yoğunluğunda lazer ışınlamasıyla ΔT ~ 3 K'den ~34 K'ye genişletilen süper iletken geçişine karşılık gelir (Şekil 3b). Tc'nin üzerindeki normal durumlarda, açık devre voltajı Voc, pn eklemlerine dayalı normal güneş pilleri için Voc'nin doğrusal davranışına benzer şekilde, sıcaklıkla azalır (Şekil 3b'nin üst kısmı). Lazer yoğunluğuna büyük ölçüde bağlı olan Voc'nin sıcaklıkla değişim oranı (−dVoc/dT), normal güneş pillerine göre çok daha küçük olmasına rağmen, YBCO-Ag eklemi için Voc'nin sıcaklık katsayısı, güneş pillerinin sıcaklık katsayısıyla aynı büyüklük mertebesindedir. Normal bir güneş pili cihazı için pn ekleminin kaçak akımı, sıcaklık arttıkça artar ve bu da sıcaklık arttıkça Voc'nin azalmasına yol açar. Bu Ag-süperiletken sistemi için gözlemlenen doğrusal IV eğrileri, öncelikle çok küçük arayüz potansiyeli ve ikincisi iki heterojunction'ın arka arkaya bağlantısı nedeniyle kaçak akımın belirlenmesini zorlaştırır. Bununla birlikte, deneyimizde gözlemlenen Voc davranışından da aynı sıcaklık bağımlılığının sorumlu olması çok muhtemel görünmektedir. Tanıma göre, Isc, toplam voltajın sıfır olması için Voc'yi dengelemek üzere negatif bir voltaj üretmek için gereken akımdır. Sıcaklık arttıkça, Voc küçülür, bu nedenle negatif voltaj üretmek için daha az akım gerekir. Ayrıca, YBCO'nun direnci Tc'nin üzerinde sıcaklıkla doğrusal olarak artmaktadır (Şekil 3b'nin alt kısmı), bu da yüksek sıcaklıklarda Isc'nin mutlak değerinin daha küçük olmasına katkıda bulunur.
Şekil 2 ve 3'te verilen sonuçların, katot elektrotlarının etrafındaki alana lazer ışınlaması yapılarak elde edildiğine dikkat edin. Lazer noktası anot üzerine yerleştirilerek de ölçümler tekrarlandı ve Voc ve Isc'nin polaritesinin tersine çevrilmesi dışında benzer IV karakteristikleri ve fotovoltaik özellikler gözlemlendi. Tüm bu veriler, süperiletken-metal arayüzüyle yakından ilişkili olan fotovoltaik etki için bir mekanizmaya yol açmaktadır.
Özetle, lazerle ışınlanmış süperiletken YBCO-Ag macun sisteminin IV karakteristikleri, sıcaklık ve lazer yoğunluğunun fonksiyonları olarak ölçülmüştür. 50 ila 300 K sıcaklık aralığında dikkat çekici bir fotovoltaik etki gözlemlenmiştir. Fotovoltaik özelliklerin, YBCO seramiklerinin süperiletkenliğiyle güçlü bir şekilde ilişkili olduğu bulunmuştur. Foto-indüklenmiş süperiletkenlikten süperiletken olmayan duruma geçişten hemen sonra Voc ve Isc'nin kutup değişimi meydana gelir. Sabit lazer yoğunluğunda ölçülen Voc ve Isc'nin sıcaklık bağımlılığı, numunenin dirençli hale geldiği kritik bir sıcaklığın üzerinde belirgin bir kutup değişimini de göstermektedir. Lazer noktasını numunenin farklı bir bölümüne yerleştirerek, arayüz boyunca bir elektriksel potansiyelin var olduğunu ve bunun foto-indüklenmiş elektron-delik çiftleri için ayırma kuvveti sağladığını gösterdik. Bu arayüz potansiyeli, YBCO süperiletken olduğunda YBCO'dan metal elektroda doğru yönelir ve numune süperiletken olmayan hale geldiğinde ters yöne döner. Potansiyelin kaynağı, YBCO süperiletken olduğunda metal-süperiletken arayüzündeki yakınlık etkisiyle doğal olarak ilişkilendirilebilir ve 50 K'de 502 mW/cm2 lazer yoğunluğunda ~10−8 mV olarak tahmin edilmektedir. Normal durumdaki p-tipi YBCO malzemesinin n-tipi Ag macunu ile teması, yüksek sıcaklıklarda YBCO seramiklerinin fotovoltaik davranışından sorumlu olan yarı-pn eklemi oluşturur. Yukarıdaki gözlemler, yüksek sıcaklıkta süperiletken YBCO seramiklerindeki fotovoltaik etkiye ışık tutmakta ve hızlı pasif ışık dedektörü ve tek foton dedektörü gibi optoelektronik cihazlarda yeni uygulamaların önünü açmaktadır.
Fotovoltaik etki deneyleri, 0,52 mm kalınlığında ve 8,64 × 2,26 mm² dikdörtgen şeklinde bir YBCO seramik numunesi üzerinde gerçekleştirildi ve 1,25 mm yarıçaplı lazer spot boyutuyla sürekli dalga mavi lazer (λ = 450 nm) ile aydınlatıldı. İnce film numunesi yerine kütle numunesi kullanmak, alt tabakanın karmaşık etkileriyle uğraşmak zorunda kalmadan süperiletkenin fotovoltaik özelliklerini incelememizi sağlar6,7. Dahası, kütle malzemesi basit hazırlama prosedürü ve nispeten düşük maliyeti nedeniyle elverişli olabilir. Bakır iletken teller, YBCO numunesi üzerine gümüş macun ile yapıştırılarak yaklaşık 1 mm çapında dört dairesel elektrot oluşturulmuştur. İki voltaj elektrodu arasındaki mesafe yaklaşık 5 mm'dir. Numunenin IV karakteristikleri, kuvars kristal pencereli titreşimli numune manyetometresi (VersaLab, Quantum Design) kullanılarak ölçülmüştür. IV eğrilerini elde etmek için standart dört telli yöntem kullanılmıştır. Elektrotların ve lazer spotunun göreceli konumları Şekil 1i'de gösterilmiştir.
Bu makaleye nasıl atıfta bulunulur: Yang, F. vd. Süperiletken YBa2Cu3O6.96 seramiklerinde fotovoltaik etkinin kökeni. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simetri yasaklı lazer kaynaklı gerilimler YBa2Cu3O7'de. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O'daki anormal fotovoltaik sinyalin kökeni. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & 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 oda sıcaklığındaki filmlerde geçici lazer kaynaklı voltajlar. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7'de anormal fotovoltaik tepki. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Bir oksit heteroyapısında YBa2Cu3O7−x'e fotogenerasyon yoluyla delik taşıyıcı enjeksiyonu. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. ve diğerleri. Işık altında YBa2Cu3Oy ince filmlerinin fotoemisyon çalışması. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. ve diğerleri. Farklı oksijen kısmi basınçlarında tavlanmış YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterobağlantısının 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. & Mihailovic, D. Farklı boşluk yapılarına sahip süperiletkenlerde yarı parçacık gevşeme dinamikleri: YBa2Cu3O7-δ üzerine teori ve deneyler. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterobağlantısının doğrultma özellikleri. Uygulamalı Fizik Mektupları 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ'de eksitonik soğurma ve süperiletkenlik. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3 yarı iletken tek kristallerinde geçici fotoindüklenmiş iletkenlik: fotoindüklenmiş metalik durum ve fotoindüklenmiş süperiletkenlik arayışı. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Süperiletken yakınlık etkisinin tünelleme modeli. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. ve diğerleri. Mezoskopik uzunluk ölçeğinde süperiletken yakınlık etkisinin incelenmesi. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Merkez simetrisi 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 & Pearson, GL Güneş radyasyonunu elektrik enerjisine dönüştürmek için yeni bir silikon pn bağlantılı fotohücre. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn veya Ni katkılı YBa2Cu3O6.9 tek kristallerinde süperiletkenlik uyum uzunluğuna safsızlık etkileri. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Geniş bir doping aralığında ikizlenmemiş YBa2Cu3Oy tek kristallerinin manyetodirenci: tutarlılık uzunluğunun anormal delik-doping bağımlılığı. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Yüksek sıcaklık oksitlerinin termoelektrik gücündeki sistematikler. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. ve diğerleri. p-tipi yüksek Tc süperiletkenlerde tutarlı tepe noktasının 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 indirgenmesi ve elektron birikimi: n-tipi metalik bir durumun kanıtı. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Schottky bariyer yüksekliğinin fiziği ve kimyası. Uygulamalı Fizik Mektupları 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. Fotoindüklenmiş süperiletkenlik artışı. Uygulamalı Fizik Mektupları 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI ve diğerleri. Metalik ve süperiletken fazlara doğru fotodoping yöntemi olarak YBa2Cu3O6+x filmlerinde kalıcı fotokondüktivite. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. ve diğerleri. YBa2Cu3O6.5'te artırılmış süperiletkenliğin temeli olarak doğrusal olmayan kafes dinamikleri. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. ve diğerleri. Şerit düzenli bir bakır oksitte ışıkla indüklenen süperiletkenlik. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Güneş pili için VOC'nin sıcaklığa fonksiyonel bağımlılığı ve verimliliği ile ilişkisi: yeni bir yaklaşım. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Schottky bariyerli silikon güneş pillerinde sıcaklık etkileri. Uygulamalı Fizik Mektupları 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Çalışma koşulları altında polimer-fulleren güneş pillerinin fotovoltaik cihaz parametrelerinin sıcaklığa bağlılığı. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Grant No. 60571063) ve Çin'in Henan Eyaleti Temel Araştırma Projeleri (Grant No. 122300410231) tarafından desteklenmiştir.
FY makalenin metnini yazdı ve MYH YBCO seramik örneğini hazırladı. FY ve MYH deneyi gerçekleştirdi ve sonuçları analiz etti. FGC projeyi yönetti ve verilerin bilimsel yorumunu yaptı. Tüm yazarlar makaleyi inceledi.
Bu çalışma, Creative Commons Attribution 4.0 Uluslararası Lisansı kapsamında lisanslanmıştır. Bu makaledeki görseller veya diğer üçüncü taraf materyaller, telif hakkı satırında aksi belirtilmedikçe, makalenin Creative Commons lisansına dahildir; eğer materyal Creative Commons lisansına dahil değilse, kullanıcıların materyali çoğaltmak için lisans sahibinden izin almaları gerekecektir. Bu lisansın bir kopyasını görüntülemek için http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ adresini ziyaret edin.
Yang, F., Han, M. ve 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. Eğer küfür içeren veya şartlarımıza veya kurallarımıza uymayan bir şey bulursanız, lütfen uygunsuz olarak işaretleyin.
Yayın tarihi: 22 Nisan 2020