Суперүткәргеч YBa2Cu3O6.96 керамикасында фотоэлектрик эффектның килеп чыгышы

nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез CSS өчен чикләнгән ярдәмле браузер версиясен кулланасыз. Иң яхшы тәҗрибә алу өчен, без сезгә яңартылган браузер кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Шуңа кадәр, ярдәмне дәвам итү өчен, без сайтны стильләрсез һәм JavaScriptсыз күрсәтәбез.

Без зәңгәр лазер яктыртуы белән индукцияләнгән 50 һәм 300 К арасындагы YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасында гаҗәеп фотоэлектрик эффект турында хәбәр итәбез, бу YBCO һәм YBCO-металл электрод интерфейсы белән турыдан-туры бәйле. YBCO артык үткәрүчән халәттән каршылыклы халәткә күчкәндә, ачык схема көчәнеше Voc һәм кыска ялганыш тогы Isc өчен полярлык үзгәреше бар. Без фотоиндукцияләнгән электрон-тишек парлары өчен аерылу көчен тәэмин итүче артык үткәргеч-нормаль металл интерфейсы аша электр потенциалы барлыгын күрсәтәбез. Бу интерфейс потенциалы YBCO артык үткәрүчән булганда YBCOдан металл электродка юнәлә һәм YBCO артык үткәрүчән булмаганда кире юнәлешкә күчә. Потенциалның килеп чыгышы YBCO артык үткәрүчән булганда металл-өстен үткәрүче интерфейсындагы якынлык эффекты белән җиңел бәйләнергә мөмкин, һәм аның кыйммәте 50 К температурада ~10–8 мВ дип бәяләнә, лазер интенсивлыгы 502 мВт/см2. Нормаль хәлдәге p-типтагы YBCO материалының n-типтагы Ag-паста материалы белән кушылуы квази-pn тоташуын барлыкка китерә, ул югары температураларда YBCO керамикасының фотоэлектрик үз-үзен тотышы өчен җаваплы. Безнең ачышлар фотон-электрон җайланмаларның яңа кулланылышларына юл ачарга һәм суперүткәргеч-металл чикләрендәге якынлык эффектын ачыкларга мөмкин.

Югары температуралы үтә үткәргечләрдә фотоиндукцияләнгән көчәнеш турында 1990-нчы еллар башында хәбәр ителде һәм шуннан бирле киң тикшерелде, ләкин аның табигате һәм механизмы әлегә ачыкланмаган1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) юка пленкалары6,7,8, аерым алганда, көйләнергә мөмкин булган энергия аермасы аркасында фотоэлектрик (PV) элемент рәвешендә интенсив рәвештә өйрәнелә9,10,11,12,13. Ләкин, субстратның югары каршылыгы һәрвакыт җайланманың түбән конверсия нәтиҗәлелегенә китерә һәм YBCO8-ның беренчел PV үзлекләрен яшерә. Монда без 50 һәм 300 К (Tc ~ 90 К) арасындагы YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикасында зәңгәр лазер (λ = 450 нм) яктырту белән китереп чыгарылган гаҗәеп фотоэлектрик эффект турында хәбәр итәбез. Без PV эффектының YBCO-ның үтә үткәргечлеге һәм YBCO-металл электрод интерфейсының табигате белән турыдан-туры бәйле булуын күрсәтәбез. YBCO артык үткәрүчән фазадан каршылыклы халәткә күчкәндә, ачык схема көчәнеше Voc һәм кыска ялганыш тогы Isc өчен полярлык үзгәрүе күзәтелә. Фотоиндукцияләнгән электрон-тишек парлары өчен аерылу көчен тәэмин итүче артык үткәрүче-нормаль металл чикләре аша электр потенциалы бар дип фаразлана. Бу чик потенциалы YBCO артык үткәрүчән булганда YBCOдан металл электродка юнәлә һәм үрнәк артык үткәрүчән булмаганда кире юнәлешкә күчә. Потенциалның килеп чыгышы, YBCO артык үткәрүчән булганда, металл-суперүткәргеч чикләрендә якынлык эффекты14,15,16,17 белән табигый рәвештә бәйле булырга мөмкин, һәм аның кыйммәте 50 К температурада ~10−8 мВ дип бәяләнә, лазер интенсивлыгы 502 мВт/см2. Нормаль халәттәге p-типтагы YBCO материалының n-типтагы Ag-паста материалы белән кушылуы, мөгаен, югары температураларда YBCO керамикасының PV үз-үзен тотышы өчен җаваплы булган квази-pn тоташу барлыкка китерә. Безнең күзәтүләр югары температуралы үтә үткәрүчән YBCO керамикасында фотоэлектроник эффектның килеп чыгышын ачыклый һәм аны тиз пассив яктылык детекторы кебек оптоэлектроник җайланмаларда куллану өчен юл ача.

1a–c рәсемнәрендә 50 К температурада YBCO керамик үрнәгенең IV характеристикалары күрсәтелгән. Яктылык яктыртылмаганда, үрнәктәге көчәнеш ток үзгәргәндә нульдә кала, моны үтә үткәрүчән материалдан көтәргә мөмкин. Лазер нуры катодка юнәлтелгәндә ачык фотоэлектрик эффект барлыкка килә (1a рәсем): I күчәренә параллель IV кәкреләре лазер интенсивлыгы арткан саен аска таба хәрәкәт итә. Ток булмаганда да (еш кына ачык схема көчәнеше Voc дип атала) фотоиндукцияләнгән тискәре көчәнеш барлыгы ачык. IV кәкресенең нуль авышлыгы лазер яктыртуы астында үрнәкнең әле дә үтә үткәрүчән булуын күрсәтә.

(a–c) һәм 300 K (e–g). V(I) кыйммәтләре вакуумда −10 мА дан +10 мА га кадәр токны күчереп алу юлы белән алынган. Аңлату өчен эксперименталь мәгълүматларның бер өлеше генә тәкъдим ителә. a, Катодта урнашкан лазер ноктасы белән үлчәнгән YBCO ток-көчәнеш характеристикалары (i). Барлык IV кәкреләре дә горизонталь туры сызыклар, лазер нурландыруы белән үрнәкнең әле дә үтә үткәрүчән булуын күрсәтә. Кәкре лазер интенсивлыгы арткан саен аска таба хәрәкәт итә, бу нуль ток булганда да ике көчәнеш чыбыгы арасында тискәре потенциал (Voc) булуын күрсәтә. Лазер үрнәкнең үзәгенә 50 K (b) яки 300 K (f) эфирында юнәлтелгәндә, IV кәкреләре үзгәрешсез кала. Анод яктыртылганда горизонталь сызык өскә таба хәрәкәт итә (c). 50 K да металл-өстәмә үткәргеч тоташуының схематик моделе d да күрсәтелгән. Катод һәм анодка юнәлтелгән лазер нуры белән үлчәнгән 300 K да нормаль халәттәге YBCO ток-көчәнеш характеристикалары e һәм g да бирелгән. 50 К температурадагы нәтиҗәләрдән аермалы буларак, туры сызыкларның нульдән аермалы авышлыгы YBCO нормаль хәлдә булуын күрсәтә; Voc кыйммәтләре яктылык интенсивлыгы белән капма-каршы юнәлештә үзгәрә, бу төрле заряд бүлү механизмын күрсәтә. 300 К температурадагы мөмкин булган интерфейс структурасы hj форматында күрсәтелгән. Үрнәкнең чыбыклар белән чынбарлыктагы картинасы.

Кислородка бай YBCO, артык үткәрүчән халәттә, бик кечкенә энергия аермасы (Eg)9,10 аркасында кояш нурларының тулы спектрын диярлек йота ала, шуның белән электрон-тишек парлары (e–h) барлыкка килә. Фотоннарны йоту юлы белән ачык схема көчәнеше Voc булдыру өчен, рекомбинация булганчы фотогенерацияләнгән eh парларын киңлектә аерырга кирәк18. 1i рәсемдә күрсәтелгәнчә, катод һәм анодка карата тискәре Voc, металл-өстәмә үткәрүче интерфейсында электр потенциалы барлыгын күрсәтә, ул электроннарны анодка, ә тишекләрне катодка күчерә. Әгәр дә шулай икән, анодтагы артык үткәргечтән металл электродка юнәлтелгән потенциал да булырга тиеш. Нәтиҗәдә, анод янындагы үрнәк мәйданы яктыртылса, уңай Voc алыныр иде. Моннан тыш, лазер ноктасы электродлардан ерак өлкәләргә юнәлтелгәндә, фотоиндукцияләнгән көчәнешләр булмаска тиеш. 1b,c рәсемнәреннән күренгәнчә, бу, әлбәттә, шулай.

Яктылык ноктасы катод электродыннан үрнәк үзәгенә күчкәндә (аралыклардан якынча 1,25 мм ераклыкта), лазер интенсивлыгы мөмкин булган максималь кыйммәткә артканда IV кәкреләренең үзгәреше һәм Voc күзәтелми (1b рәсем). Әлбәттә, бу нәтиҗә фотоиндукцияләнгән йөртүчеләрнең чикләнгән гомер озынлыгы һәм үрнәктә аерылу көче булмау белән бәйле. Үрнәк яктыртылган саен электрон тишек парлары барлыкка килергә мөмкин, ләкин лазер ноктасы электродларның теләсә кайсысыннан ерак урнашкан урыннарга төшсә, e–h парларының күбесе юк ителәчәк һәм фотоэлектрик эффект күзәтелми. Лазер ноктасын анод электродларына күчергәндә, I күчәренә параллель IV кәкреләре лазер интенсивлыгы артканда өскә таба хәрәкәт итә (1c рәсем). Анодтагы металл-өстәмә үткәргеч тоташуында охшаш электр кыры бар. Ләкин металл электрод бу юлы сынау системасының уңай үткәргеченә тоташа. Лазер тарафыннан барлыкка килгән тишекләр анод үткәргеченә этәрелә һәм шулай итеп уңай Voc күзәтелә. Монда китерелгән нәтиҗәләр, чыннан да, суперүткәргечтән металл электродка юнәлтелгән интерфейс потенциалы барлыгына ныклы дәлил булып тора.

300 К температурада YBa2Cu3O6.96 керамикасында фотоэлектрик эффект 1e–g рәсемнәрендә күрсәтелгән. Яктылык яктыртылмаганда, үрнәкнең IV кәкресе - башлангыч ноктаны кисеп үтүче туры сызык. Бу туры сызык катод үткәргечләрендә нурландыру интенсивлыгы артканда башлангычка параллель рәвештә өскә таба хәрәкәт итә (1e рәсем). Фотоэлектрик җайланма өчен кызыксыну уята торган ике чикләү очрагы бар. Кыска ялганыш шарты V = 0 булганда барлыкка килә. Бу очракта ток кыска ялганыш тогы (Isc) дип атала. Икенче чикләү очрагы - ачык ялганыш шарты (Voc), ул R→∞ яки ток нульгә тигез булганда барлыкка килә. 1e рәсемдә ачык күрсәтелгәнчә, Voc уңай һәм яктылык интенсивлыгы арткан саен арта, 50 К температурада алынган нәтиҗәдән аермалы буларак; ә тискәре Isc яктылык яктырту белән зурлыгы артуы күзәтелә, бу гадәти кояш батареяларының типик үзенчәлеге.

Шулай ук, лазер нуры электродлардан ерак урнашкан урыннарга юнәлтелгәндә, V(I) кәкресе лазер интенсивлыгына бәйле түгел һәм фотоэлектрик эффект күренми (1f рәсем). 50 К температурадагы үлчәүләргә охшаш рәвештә, анод электроды нурландырылганда IV кәкреләре кире юнәлешкә күчә (1g рәсем). 300 К температурадагы бу YBCO-Ag паста системасы өчен алынган барлык бу нәтиҗәләр дә үрнәкнең төрле позицияләрендә лазер нурландырылганда 50 К температурада күзәтелгәнгә капма-каршы интерфейс потенциалына туры килә.

Күпчелек электроннар Купер парларында, аның күчү температурасы Tc дан түбәнрәк булган суперүткәргеч YBCO'да конденсацияләнә. Металл электродында булганда, барлык электроннар да сингуляр формада кала. Металл-суперүткәргеч чикләре тирәсендә сингуляр электроннар һәм Купер парлары өчен зур тыгызлык градиенты бар. Металл материалдагы күпчелек йөртүче сингуляр электроннар суперүткәргеч өлкәсенә таралачак, ә YBCO өлкәсендәге күпчелек йөртүче Купер парлары металл өлкәсенә таралачак. Купер парлары YBCO'дан металл өлкәсенә сингуляр электроннарга караганда күбрәк зарядлар йөрткәндә һәм зуррак хәрәкәтчәнлеккә ия булганда, уңай зарядлы атомнар кала, нәтиҗәдә киңлек заряд өлкәсендә электр кыры барлыкка килә. Бу электр кырының юнәлеше схематик диаграммада күрсәтелгән (1d рәсем). Киңлек заряд өлкәсе янындагы фотон яктылыгы аерылачак һәм сыпырылачак eh парларын барлыкка китерергә мөмкин, бу кире юнәлештә фототок барлыкка китерә. Электроннар төзелгән электр кырыннан чыгу белән, алар парларга конденсацияләнә һәм каршылыксыз икенче электродка ага. Бу очракта, Voc алдан билгеләнгән полярлыкка капма-каршы һәм лазер нуры тискәре электрод тирәсенә юнәлткәндә тискәре кыйммәт күрсәтә. Voc кыйммәтеннән, чик аша потенциалны бәяләргә мөмкин: ике көчәнеш чыбыгы d арасындагы ара ~5 × 10−3 м, металл-өстәмә үткәргеч чик арасының калынлыгы, di, YBCO өстәмә үткәргеченең когерент озынлыгы (~1 нм)19,20 белән бер үк зурлыкта булырга тиеш, Voc кыйммәтен = 0,03 мВ алыгыз, металл-өстәмә үткәргеч чик арасындагы потенциал Vms 50 К температурада 502 мВт/см2 лазер интенсивлыгы белән ~10−11 В дип бәяләнә, түбәндәге тигезләмәне кулланып:

Монда без фотоиндукцияләнгән көчәнешне фототермик эффект белән аңлатып булмавын ассызыкларга телибез. Эксперименталь рәвештә YBCO суперүткәргеченең Зеебек коэффициенты Ss = 021 булуы ачыкланган. Бакыр кургаш чыбыклар өчен Зеебек коэффициенты SCu = 0,34–1,15 мкВ/К3 диапазонында. Лазер ноктасындагы бакыр чыбыкның температурасын 50 К температурада максималь лазер интенсивлыгы белән 0,06 К га кадәр арттырырга мөмкин. Бу 6,9 × 10−8 В термоэлектрик потенциал тудырырга мөмкин, бу 1 нче рәсемдә (а) алынган Voc дан өч дәрәҗәгә кечерәк. Термоэлектрик эффект эксперимент нәтиҗәләрен аңлатырлык дәрәҗәдә кечкенә булуы ачык. Чынлыкта, лазер нурланышы аркасында температура үзгәреше бер минуттан да кимрәк вакыт эчендә юкка чыгар иде, шуңа күрә җылылык эффектыннан килгән өлешне куркынычсыз рәвештә исәпкә алырга мөмкин түгел.

Бүлмә температурасында YBCO-ның бу фотоэлектрик эффекты монда башка заряд аеру механизмы катнашуын күрсәтә. Нормаль хәлдәге артык үткәрүчән YBCO - заряд ташучы буларак тишекләре булган p-типтагы материал22,23, ә металлик Ag-пастасы n-типтагы материалның үзенчәлекләренә ия. pn тоташуларына охшаш, көмеш пастасындагы электроннарның һәм YBCO керамикасындагы тишекләрнең диффузиясе чиктә YBCO керамикасына юнәлтелгән эчке электр кыры барлыкка китерәчәк (1h рәсем). Нәкъ менә шушы эчке кыр аеру көчен тәэмин итә һәм 1e рәсемдә күрсәтелгәнчә, бүлмә температурасында YBCO-Ag паста системасы өчен уңай Voc һәм тискәре Isc барлыкка китерә. Икенче яктан, Ag-YBCO югарыда күрсәтелгән модельдәге кебек үк полярлыкка ия ​​чик потенциалына китерә торган p-типтагы Шоттки тоташуын барлыкка китерә ала24.

YBCO-ның артык үткәрүчән күчүе вакытында фотоэлектрик үзлекләрнең җентекле эволюция процессын тикшерү өчен, 80 К температурадагы үрнәкнең IV кәкреләре катод электродында яктыртылган сайланган лазер интенсивлыгы белән үлчәнде (2 нче рәсем). Лазер нурландырусыз, үрнәктәге көчәнеш токка карамастан нульдә кала, бу 80 К температурадагы үрнәкнең артык үткәрүчән халәтен күрсәтә (2а нче рәсем). 50 К температурада алынган мәгълүматларга охшаш, I күчәренә параллель IV кәкреләре лазер интенсивлыгы арткан саен аска таба хәрәкәт итә, Pc критик кыйммәтенә җиткәнче. Бу критик лазер интенсивлыгыннан (Pc) югарырак, артык үткәрүчән фазадан каршылык фазасына күчә; артык үткәрүчедә каршылык барлыкка килү сәбәпле, көчәнеш ток белән арта башлый. Нәтиҗәдә, IV кәкресе I күчәре һәм V күчәре белән кисешә башлый, бу башта тискәре Voc һәм уңай Isc барлыкка китерә. Хәзер үрнәк махсус хәлдә, анда Voc һәм Isc полярлыгы яктылык интенсивлыгына бик сизгер; Яктылык интенсивлыгы бик аз артканда, Isc уңайдан тискәрегә, ә Voc тискәредән уңайга әйләнә, башлангыч ноктаны узып китә (фотоэлектрик үзлекләрнең, аеруча Isc кыйммәтенең, яктылык яктыртуына югары сизгерлеге 2b рәсемдә ачыграк күренә). Иң югары лазер интенсивлыгында, IV кәкреләре бер-берсенә параллель булырга тиеш, бу YBCO үрнәгенең нормаль торышын күрсәтә.

Лазер ноктасы үзәге катод электродлары тирәсендә урнашкан (1i рәсемне карагыз). а, төрле лазер интенсивлыгы белән нурландырылган YBCO IV кәкреләре. b (өстә), Лазер интенсивлыгының ачык чылбыр көчәнешенә бәйлелеге Voc һәм кыска ялганыш тогы Isc. Isc кыйммәтләрен түбән яктылык интенсивлыгында (< 110 мВт/см2) алып булмый, чөнки үрнәк артык үткәрүчән халәттә булганда IV кәкреләре I күчәренә параллель. b (аста), лазер интенсивлыгы функциясе буларак дифференциаль каршылык.

80 К температурада Voc һәм Isc интенсивлыгына бәйлелек 2b рәсемдә (өстә) күрсәтелгән. Фотоэлектрик үзлекләрне яктылык интенсивлыгының өч өлкәсендә карап була. Беренче өлкә 0 һәм Pc арасында, анда YBCO артык үткәрүчән, Voc тискәре һәм яктылык интенсивлыгы белән кими (абсолют кыйммәт арта) һәм Pc да минималь дәрәҗәгә җитә. Икенче өлкә Pc дан башка критик интенсивлык P0 га кадәр, анда Voc арта, ә Isc яктылык интенсивлыгы арту белән кими һәм икесе дә P0 да нульгә җитә. Өченче өлкә YBCO нормаль халәтенә җиткәнче P0 дан югарырак. Voc та, Isc та яктылык интенсивлыгы белән 2 нче өлкәдәге кебек үк үзгәрсә дә, аларның критик интенсивлык P0 өстендә капма-каршы полярлыгы бар. P0 ның әһәмияте шунда ки, фотоэлектрик эффект юк һәм зарядны аеру механизмы бу ноктада сыйфат ягыннан үзгәрә. YBCO үрнәге яктылык интенсивлыгының бу диапазонында артык үткәрүчән түгел, ләкин әле нормаль халәткә ирешелмәгән.

Әлбәттә, системаның фотоэлектрик характеристикалары YBCO-ның артык үткәрүчәнлеге һәм аның артык үткәрүчән күчүе белән тыгыз бәйләнгән. YBCO-ның дифференциаль каршылыгы, dV/dI, 2b рәсемдә (аскы өлештә) лазер интенсивлыгы функциясе буларак күрсәтелгән. Элегрәк әйтелгәнчә, Купер парының артык үткәрүчәнлектән металлга диффузия нокталары аркасында чиктә электр потенциалы барлыкка килә. 50 К температурада күзәтелгәнгә охшаш, фотоэлектрик эффект лазер интенсивлыгы 0 дән Pc га кадәр артканда көчәя. Лазер интенсивлыгы Pc дан бераз югарырак кыйммәткә җиткәч, IV кәкресе авыша башлый һәм үрнәкнең каршылыгы күренә башлый, ләкин чик потенциалының полярлыгы әлегә үзгәрмәгән. Оптик кузгатудың артык үткәрүчәнлеккә йогынтысы күренмәле яки якын-ИК өлкәсендә тикшерелгән. Төп процесс Купер парларын таркату һәм артык үткәрүчәнлекне юк итү булса да, кайбер очракларда артык үткәрүчәнлек күчүен көчәйтергә мөмкин27,28,29, хәтта артык үткәрүчәнлекнең яңа фазаларын да китереп чыгарырга мөмкин30. Pc'да артык үткәрүчәнлек булмавын фотоиндукцияләнгән парның өзелүе белән бәйләргә мөмкин. P0 ноктасында, интерфейс аша потенциал нульгә әйләнә, бу яктылык яктыртуының бу аерым интенсивлыгы астында интерфейсның ике ягындагы заряд тыгызлыгы бер үк дәрәҗәгә җитүен күрсәтә. Лазер интенсивлыгының тагын да артуы күбрәк Купер парларының юк ителүенә китерә һәм YBCO әкренләп p-типтагы материалга әйләнә. Электрон һәм Купер пары диффузиясе урынына, интерфейсның үзенчәлеге хәзер электрон һәм тишек диффузиясе белән билгеләнә, бу интерфейстагы электр кырының полярлыгы үзгәрүенә һәм нәтиҗәдә уңай Voc'ка китерә (1d, h рәсемнәрен чагыштырыгыз). Бик югары лазер интенсивлыгында YBCO'ның дифференциаль каршылыгы нормаль халәткә туры килә торган кыйммәткә кадәр туендырыла, һәм Voc һәм Isc икесе дә лазер интенсивлыгы белән сызыклы рәвештә үзгәрә (2b рәсем). Бу күзәтү нормаль халәттәге YBCO'да лазер нурланышы аның каршылыгын һәм артык үткәрүче-металл интерфейсының үзенчәлеген үзгәртмәячәген, ә электрон-тишек парларының концентрациясен генә арттырачагын күрсәтә.

Фотоэлектрик үзлекләргә температураның йогынтысын тикшерү өчен, металл-өстәмә үткәргеч системасы катодта 502 мВт/см2 интенсивлыктагы зәңгәр лазер белән нурландырылды. 50 һәм 300 К арасындагы сайланган температураларда алынган IV кәкреләре 3a рәсемдә күрсәтелгән. Аннары бу IV кәкреләреннән ачык схема көчәнеше Voc, кыска ялганыш тогы Isc һәм дифференциаль каршылык алынырга мөмкин һәм 3b рәсемдә күрсәтелгән. Яктылык яктыртылмаса, төрле температураларда үлчәнгән барлык IV кәкреләре көтелгәнчә башлангыч ноктадан үтә (3a рәсемнең өстәмәсе). Система чагыштырмача көчле лазер нуры (502 мВт/см2) белән яктыртылганда, IV характеристикалары температура арткан саен кискен үзгәрә. Түбән температураларда IV кәкреләре Voc тискәре кыйммәтләре булган I күчәренә параллель туры сызыклар. Бу кәкре температура арткан саен өскә таба хәрәкәт итә һәм критик температура Tcp вакытында әкренләп нульдән аермалы авышлыклы сызыкка әйләнә (3a рәсем (өстә)). Күрәсең, барлык IV характеристика кәкреләре өченче квадранттагы нокта тирәсендә әйләнә. Voc тискәре кыйммәттән уңай кыйммәткә арта, ә Isc уңайдан тискәре кыйммәткә кими. YBCO-ның башлангыч артык үткәрүчән күчү температурасы Tc өстендә, IV кәкресе температура белән шактый башкача үзгәрә (3a рәсемнең аскы өлеше). Беренчедән, IV кәкреләренең әйләнү үзәге беренче квадрантка күчә. Икенчедән, температура арткан саен Voc кими, ә Isc арта (3b рәсемнең өске өлеше). Өченчедән, IV кәкреләренең авышлыгы температура белән сызыклы рәвештә арта, нәтиҗәдә YBCO өчен каршылыкның уңай температура коэффициенты барлыкка килә (3b рәсемнең аскы өлеше).

502 мВт/см2 лазер яктырту астында YBCO-Ag паста системасы өчен фотоэлектрик характеристикаларның температурага бәйлелеге.

Лазер ноктасы үзәге катод электродлары тирәсендә урнашкан (1i рәсемне карагыз). а, 50 дән 90 К га кадәр (өстә) һәм 100 дән 300 К га кадәр (аста) алынган IV кәкреләре, тиешенчә 5 К һәм 20 К температура артуы белән. а өстәмәсендә караңгыда берничә температурада IV характеристикалары күрсәтелгән. Барлык кәкреләр дә башлангыч ноктаны кисеп үтә. b, ачык чылбыр көчәнеше Voc һәм кыска ялганыш тогы Isc (өстә) һәм YBCO дифференциаль каршылыгы, dV/dI, температура функциясе буларак. Нуль каршылыклы артык үткәрүчән күчеш температурасы Tcp бирелмәгән, чөнки ул Tc0 га бик якын.

3b рәсемнән өч критик температураны танырга мөмкин: Tcp, аннан югарырак YBCO артык үткәрүчән булмаганга әйләнә; Tc0, анда Voc һәм Isc икесе дә нульгә әйләнә һәм Tc, лазер нурланышы булмаганда YBCOның башлангыч суперүткәргеч күчү температурасы. Tcp ~ 55 K түбәнрәк, лазер нурланышы белән нурландырылган YBCO артык үткәрүчән халәттә, Купер парларының чагыштырмача югары концентрациясе белән. Лазер нурланышының нәтиҗәсе фотоэлектрик көчәнеш һәм ток җитештерүдән тыш, Купер парының концентрациясен киметү юлы белән нуль каршылыклы артык үткәрүчән күчү температурасын 89 K дан ~55 K га кадәр киметүдән гыйбарәт. Температураның артуы шулай ук ​​Купер парларын җимерә, бу исә чиктә потенциалның кимүенә китерә. Нәтиҗәдә, Voc абсолют кыйммәте кечерәя, гәрчә лазер яктыртуының шул ук интенсивлыгы кулланылса да. Чиктә потенциалы температураның тагын да артуы белән кечерәя һәм Tc0 да нульгә җитә. Бу махсус ноктада фотоэлектрик эффект юк, чөнки фотоиндукцияләнгән электрон-тишек парларын аеру өчен эчке кыр юк. Бу критик температурадан югарырак потенциалның полярлыгы үзгәрүе күзәтелә, чөнки Ag пастасында ирекле заряд тыгызлыгы YBCOдагыдан зуррак, ул әкренләп p-типтагы материалга кире күчә. Монда без Voc һәм Isc полярлыгы үзгәрүенең нуль каршылыклы артык үткәрүчән күчештән соң шунда ук булуын ассызыкларга телибез, күчү сәбәбенә карамастан. Бу күзәтү беренче тапкыр металл-өстен үткәрүчәнлек интерфейсы потенциалы белән бәйле артык үткәрүчәнлек һәм фотоэлектрик эффектлар арасындагы корреляцияне ачык күрсәтә. Соңгы берничә дистә ел дәвамында артык үткәрүчәнлек-нормаль металл интерфейсындагы бу потенциалның табигате тикшеренүләр үзәгендә булды, ләкин әле дә җавап көткән күп сораулар бар. Фотоэлектрик эффектны үлчәү бу мөһим потенциалның детальләрен (мәсәлән, аның көче һәм полярлыгы һ.б.) өйрәнү өчен нәтиҗәле ысул булып чыгарга мөмкин һәм шулай итеп югары температуралы артык үткәрүчәнлек якынлык эффектына яктылык сала.

Температураның Tc0 дан Tc га кадәр артуы Купер парларының концентрациясенең кимүенә һәм интерфейс потенциалының артуына, һәм нәтиҗәдә, Voc зуррак булуына китерә. Tc да Купер парының концентрациясе нульгә әйләнә һәм интерфейстагы төзелеш потенциалы максималь дәрәҗәгә җитә, нәтиҗәдә максималь Voc һәм минималь Isc барлыкка килә. Бу температура диапазонында Voc һәм Isc ның тиз артуы (абсолют кыйммәт) 502 мВт/см2 интенсивлыктагы лазер нурландыруы белән ΔT ~ 3 K дан ~ 34 K га кадәр киңәйтелгән артык үткәрүчән күчешкә туры килә (3b рәсем). Tc дан югарырак нормаль халәтләрдә, ачык схема көчәнеше Voc температура белән кими (3b рәсемнең өске өлеше), pn тоташуларына нигезләнгән гадәти кояш батареялары өчен Voc сызыкча тотышына охшаш31,32,33. Лазер интенсивлыгына нык бәйле булган Voc ның температура белән үзгәрү тизлеге (−dVoc/dT) гадәти кояш батареяларынкыннан күпкә кечерәк булса да, YBCO-Ag тоташу өчен Voc ның температура коэффициенты кояш батареяларынкы белән бер үк зурлыкта. Гадәти кояш батареясы җайланмасы өчен pn тоташуының агып чыгу тогы температура арткан саен арта, бу температура арткан саен VOC кимүенә китерә. Бу Ag-өстәмә үткәргеч системасы өчен күзәтелгән сызыклы IV кәкреләре, беренчедән, бик кечкенә интерфейс потенциалы һәм икенчедән, ике гетероөтешнең бер-бер артлы тоташуы аркасында, агып чыгу тогын билгеләүне катлауландыра. Шуңа да карамастан, агып чыгу тогының шул ук температурага бәйлелеге безнең экспериментта күзәтелгән VOC үз-үзен тотышы өчен җаваплы булуы бик ихтимал. Билгеләмә буенча, Isc - гомуми көчәнеш нульгә тигез булсын өчен Vocны компенсацияләү өчен тискәре көчәнеш тудыру өчен кирәкле ток. Температура арткан саен, VOC кечерәя, шуңа күрә тискәре көчәнеш тудыру өчен азрак ток кирәк. Моннан тыш, YBCO каршылыгы Tc өстендәге температура белән сызыклы рәвештә арта (3b рәсемнең аскы өлеше), бу шулай ук ​​югары температураларда Isc абсолют кыйммәтенең кечерәюенә китерә.

Игътибар итегез, 2, 3 нче рәсемнәрдә бирелгән нәтиҗәләр катод электродлары тирәсендәге өлкәгә лазер нурландыру юлы белән алынган. Үлчәүләр шулай ук ​​анодта урнаштырылган лазер ноктасы белән кабатланган һәм охшаш IV характеристикалары һәм фотоэлектрик үзлекләре күзәтелгән, ләкин бу очракта Voc һәм Isc полярлыгы киресенчә булган. Бу мәгълүматларның барысы да фотоэлектрик эффект механизмына китерә, ул суперүткәргеч-металл интерфейсы белән тыгыз бәйләнгән.

Кыскасы, лазер нурландыруы белән су үткәргеч YBCO-Ag паста системасының IV характеристикалары температура һәм лазер интенсивлыгы функцияләре буларак үлчәнде. 50 дән 300 К га кадәр температура диапазонында фотоэлектрик эффект күзәтелде. Фотоэлектрик үзлекләрнең YBCO керамикасының су үткәргечлеге белән нык бәйле булуы ачыкланды. Voc һәм Isc полярлыгының кире кайтуы фотоиндукцияләнгән су үткәргечтән су үткәргеч булмаганга күчүдән соң шунда ук була. Фиксацияләнгән лазер интенсивлыгында үлчәнгән Voc һәм Isc температурага бәйлелеге шулай ук ​​үрнәк каршылыклы була торган критик температурада полярлыкның ачык кире кайтуын күрсәтә. Лазер ноктасын үрнәкнең төрле өлешенә урнаштырып, без фотоиндукцияләнгән электрон-тишек парлары өчен аерылу көчен тәэмин итүче чик аша электр потенциалы барлыгын күрсәтәбез. Бу чик потенциалы YBCO су үткәргеч булганда YBCO дан металл электродка юнәлә һәм үрнәк су үткәргеч булмаганда кире юнәлешкә күчә. Потенциалның килеп чыгышы, YBCO артык үткәрүчән булганда һәм 50 К температурада ~10−8 мВ дип исәпләнгәндә, лазер интенсивлыгы 502 мВт/см2 булганда, металл-өстәмә үткәрүче интерфейсындагы якынлык эффекты белән табигый рәвештә бәйле булырга мөмкин. Нормаль хәлдәге p-типтагы YBCO материалының n-типтагы материал белән бәйләнеше Ag-пастасы квази-pn тоташуын барлыкка китерә, ул югары температураларда YBCO керамикасының фотоэлектрик үз-үзен тотышы өчен җаваплы. Югарыдагы күзәтүләр югары температуралы артык үткәрүчән YBCO керамикасындагы PV эффектын яктырта һәм тиз пассив яктылык детекторы һәм бер фотон детекторы кебек оптоэлектрон җайланмаларда яңа кушымталарга юл ача.

Фотоэлектрик эффект экспериментлары 0,52 мм калынлыктагы һәм 8,64 × 2,26 мм2 турыпочмаклы формадагы һәм өзлексез дулкынлы зәңгәр-лазер (λ = 450 нм) белән яктыртылган YBCO керамик үрнәгендә үткәрелде, аның лазер ноктасы зурлыгы 1,25 мм радиуста иде. Нечкә пленка үрнәге урынына күләм куллану безгә субстратның катлаулы йогынтысы белән эш итмичә, суперүткәргечнең фотоэлектрик үзлекләрен өйрәнергә мөмкинлек бирә6,7. Моннан тыш, күләмле материал аны әзерләүнең гади процедурасы һәм чагыштырмача арзан булуы өчен уңайлы булырга мөмкин. Бакыр кургаш чыбыклар YBCO үрнәгендә көмеш паста белән когерацияләнә, диаметры якынча 1 мм булган дүрт түгәрәк электрод барлыкка китерә. Ике көчәнеш электроды арасындагы ара якынча 5 мм. Үрнәкнең IV характеристикалары кварц кристалл тәрәзәсе булган тибрәнү үрнәге магнитометры (VersaLab, Quantum Design) ярдәмендә үлчәнде. IV кәкреләрен алу өчен стандарт дүрт чыбыклы ысул кулланылды. Электродларның һәм лазер ноктасының чагыштырма урнашуы 1i рәсемдә күрсәтелгән.

Бу мәкаләгә ничек сылтама ясарга: Янг, Ф. һ.б. Суперүткәргеч YBa2Cu3O6.96 керамикасында фотоэлектрик эффектның килеп чыгышы. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Чанг, КЛ, Клейнхаммес, А., Моултон, ВГ һәм Тестарди, ЛР YBa2Cu3O7 да симметрия тыелган лазер белән индукцияләнгән көчәнешләр. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Квок, ХС, Чжэн, Дж.П. һәм Донг, С.Й. Y-Ba-Cu-O'дагы аномаль фотоэлектрик сигналның килеп чыгышы. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Ван, ЛП, Лин, Дж.Л., Фенг, QR һәм Ван, Г.В. Лазер белән индукцияләнгән артык үткәрүчән Bi-Sr-Ca-Cu-O көчәнешләрен үлчәү. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Тейт, КЛ һ.б. YBa2Cu3O7-x бүлмә температурасындагы пленкаларда лазер белән индукцияләнгән вакытлы көчәнешләр. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7'дә аномаль фотоэлектрик җавап. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Мураока, Ю., Мураматсу, Т., Ямаура, Дж. һәм Хирои, З. Оксид гетероструктурасында YBa2Cu3O7−xка фотогенерацияләнгән тишек йөртүче инъекциясе. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Асакура, Д. һ.б. Яктылык астында YBa2Cu3Oy юка пленкаларының фотоэмиссиясен өйрәнү. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Янг, Ф. һ.б. Төрле кислород парциал басымында җылытылган YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb гетероөткәлешенең фотоэлектрик эффекты. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Аминов, Б.А. һ.б. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x монокристаллларында ике ярыклы структура. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Кабанов, В.В., Демсар, Дж., Подобник, Б. һәм Михайлович, Д. Төрле ара структуралы суперүткәргечләрдә квазикисәкчәләрнең релаксация динамикасы: YBa2Cu3O7-δ буенча теория һәм экспериментлар. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb гетероөткәлешенең ректификацияләүче үзлекләре. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Камарас, К., Портер, К.Д., Досс, МГ, Херр, С.Л. һәм Таннер, ДБ YBa2Cu3O7-δ да экситон абсорбциясе һәм артык үткәрүчәнлек. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Ю, Г., Хегер, А.Дж. һәм Стаки, Г. YBa2Cu3O6.3 ярымүткәргечле монокристаллларында вакытлыча фотоиндукцияләнгән үткәрүчәнлек: фотоиндукцияләнгән металлик халәтне һәм фотоиндукцияләнгән артык үткәрүчәнлекне эзләү. Каты халәтләр берләшмәсе. 72, 345–349 (1989).

Макмиллан, В.Л. Суперүткәргеч якынлык эффектының туннель моделе. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Герон, С. һ.б. Мезоскопик озынлык шкаласында тикшерелгән суперүткәргеч якынлык эффекты. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Аннунзиата, Г. һәм Манске, Д. Центросимметрик булмаган суперүткәргечләр белән якынлык эффекты. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM һ.б. Pb-Bi2Te3 гибрид структураларында көчле артык үткәрүчән якынлык эффекты. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Чапин, ДМ, Фуллер, КС һәм Пирсон, ГЛ Кояш нурланышын электр энергиясенә әйләндерү өчен яңа кремний pn тоташу фотоэлементы. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Томимото, К. Zn- яки Ni белән легирланган YBa2Cu3O6.9 монокристаллларында артык үткәрүчән когерентлык озынлыгына катнашма йогынтысы. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Андо, Ю. һәм Сегава, К. Игезәкләнмәгән YBa2Cu3Oy монокристалларының киң диапазонлы легирлауда магниторезистансы: когерентлык озынлыгының аномаль тишек-легирлауга бәйлелеге. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Обертелли, СД һәм Купер, Дж.Р. Югары Т-оксидларның термоэлектрик энергиясендә систематика. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Сугай, С. һ.б. p-типтагы югары Tc үткәргечләрендә когерент пикның һәм LO фонон режимының йөртүче тыгызлыгына бәйле импульс күчеше. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Ноджима, Т. һ.б. Электрохимик техника кулланып, YBa2Cu3Oy юка пленкаларында тишекләрне киметү һәм электроннар туплау: n-типтагы металлик халәт өчен дәлилләр. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Тунг, РТ Шоттки барьеры биеклегенең физикасы һәм химиясе. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Сай-Халас, Г.А., Чи, К.К., Дененштейн, А. һәм Лангенберг, Д.Н. Суперүткәргеч пленкаларда динамик тышкы пар өзелүенең йогынтысы. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Ниева, Г. һ.б. Фотоиндукцияләнгән суперүткәргечлекнең көчәюе. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Кудинов, В.И. һ.б. YBa2Cu3O6+x пленкаларында даими фотоүткәргечлек металл һәм артык үткәрүчән фазаларга фотолегирлау ысулы буларак. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Манковский, Р. һ.б. YBa2Cu3O6.5'та югары үткәрүчәнлекнең артуы өчен нигез буларак сызыклы булмаган челтәр динамикасы. Nature 516, 71–74 (2014).

Фаусти, Д. һ.б. Полосалы купратта яктылык белән индукцияләнгән артык үткәрүчәнлек. Science 331, 189–191 (2011).

Эль-Адави, МК һәм Әл-Нуайм, IA Кояш батареясы өчен VOC-ның температурага функциональ бәйлелеге аның нәтиҗәлелегенә бәйле яңа алым. Тозсызландыру 209, 91–96 (2007).

Вернон, С.М. һәм Андерсон, Вашингтон. Шоттки-барьер кремний кояш батареяларында температура йогынтысы. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Эш шартларында полимер-фуллерен кояш батареяларының фотоэлектрик җайланма параметрларының температурага бәйлелеге. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Бу эш Кытайның Милли табигать фәннәре фонды (Грант № 60571063), Кытайның Хэнань провинциясенең фундаменталь тикшеренү проектлары (Грант № 122300410231) тарафыннан хупланды.

FY мәкалә текстын язган, ә MYH YBCO керамик үрнәген әзерләгән. FY һәм MYH эксперимент үткәргәннәр һәм нәтиҗәләрне анализлаганнар. FGC проектны һәм мәгълүматларның фәнни интерпретациясен җитәкләгән. Барлык авторлар да кулъязманы карап чыкканнар.

Бу эш Creative Commons Attribution 4.0 халыкара лицензиясе нигезендә лицензияләнгән. Бу мәкаләдәге рәсемнәр яки башка өченче як материаллары, әгәр авторлык хокукында башкача күрсәтелмәгән булса, мәкаләнең Creative Commons лицензиясенә кертелгән; әгәр материал Creative Commons лицензиясенә кертелмәгән булса, кулланучыларга материалны күчереп алу өчен лицензия иясеннән рөхсәт алырга кирәк булачак. Бу лицензиянең күчермәсен карау өчен, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ сайтына керегез.

Ян, Ф., Хан, М. һәм Чан, Ф. Суперүткәргеч YBa2Cu3O6.96 керамикасында фотоэлектрик эффектның килеп чыгышы. Фәнни тикшеренүләр 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Комментарий җибәрү белән, сез безнең Шартлар һәм Җәмгыять кагыйдәләрен үтәргә ризалашасыз. Әгәр дә сез безнең шартларга яки күрсәтмәләргә туры килмәгән яки мыскыллау тудырган нәрсә тапсагыз, зинһар, аны яраксыз дип билгеләгез.