Cảm ơn bạn đã truy cập nature.com. Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ hạn chế cho CSS. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt mới hơn (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Chúng tôi báo cáo hiệu ứng quang điện đáng chú ý trong gốm YBa2Cu3O6.96 (YBCO) giữa 50 và 300 K được tạo ra bởi chiếu sáng laser xanh, có liên quan trực tiếp đến tính siêu dẫn của YBCO và giao diện điện cực kim loại-YBCO. Có sự đảo ngược cực tính đối với điện áp mạch hở Voc và dòng điện ngắn mạch Isc khi YBCO trải qua quá trình chuyển đổi từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái điện trở. Chúng tôi chỉ ra rằng tồn tại một điện thế trên giao diện kim loại thông thường-siêu dẫn, cung cấp lực tách cho các cặp electron-lỗ trống do quang tạo ra. Điện thế giao diện này hướng từ YBCO đến điện cực kim loại khi YBCO siêu dẫn và chuyển sang hướng ngược lại khi YBCO trở thành không siêu dẫn. Nguồn gốc của điện thế có thể dễ dàng liên kết với hiệu ứng lân cận tại giao diện kim loại-siêu dẫn khi YBCO siêu dẫn và giá trị của nó được ước tính là ~10–8 mV ở 50 K với cường độ laser là 502 mW/cm2. Sự kết hợp của vật liệu loại p YBCO ở trạng thái bình thường với vật liệu loại n Ag-paste tạo thành mối nối bán pn chịu trách nhiệm cho hành vi quang điện của gốm YBCO ở nhiệt độ cao. Những phát hiện của chúng tôi có thể mở đường cho các ứng dụng mới của các thiết bị điện tử photon và làm sáng tỏ thêm hiệu ứng lân cận tại giao diện siêu dẫn-kim loại.
Điện áp cảm ứng quang trong siêu dẫn nhiệt độ cao đã được báo cáo vào đầu những năm 1990 và được nghiên cứu rộng rãi kể từ đó, nhưng bản chất và cơ chế của nó vẫn chưa được giải quyết1,2,3,4,5. Đặc biệt, màng mỏng YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 được nghiên cứu chuyên sâu dưới dạng tế bào quang điện (PV) do khoảng cách năng lượng có thể điều chỉnh của nó9,10,11,12,13. Tuy nhiên, điện trở cao của chất nền luôn dẫn đến hiệu suất chuyển đổi thấp của thiết bị và che khuất các đặc tính PV chính của YBCO8. Ở đây, chúng tôi báo cáo hiệu ứng quang điện đáng chú ý do chiếu sáng bằng tia laser xanh (λ = 450 nm) trong gốm YBa2Cu3O6.96 (YBCO) ở nhiệt độ từ 50 đến 300 K (Tc ~ 90 K). Chúng tôi chỉ ra rằng hiệu ứng PV có liên quan trực tiếp đến tính siêu dẫn của YBCO và bản chất của giao diện điện cực YBCO-kim loại. Có sự đảo ngược cực tính đối với điện áp mạch hở Voc và dòng điện mạch ngắn Isc khi YBCO trải qua quá trình chuyển đổi từ pha siêu dẫn sang trạng thái điện trở. Người ta đề xuất rằng tồn tại một điện thế trên giao diện kim loại siêu dẫn-bình thường, cung cấp lực tách cho các cặp electron-lỗ trống do quang tạo ra. Điện thế giao diện này hướng từ YBCO đến điện cực kim loại khi YBCO siêu dẫn và chuyển sang hướng ngược lại khi mẫu trở thành không siêu dẫn. Nguồn gốc của điện thế có thể liên quan tự nhiên đến hiệu ứng lân cận14,15,16,17 tại giao diện kim loại-siêu dẫn khi YBCO siêu dẫn và giá trị của nó được ước tính là ~10−8 mV ở 50 K với cường độ laser là 502 mW/cm2. Sự kết hợp của vật liệu loại p YBCO ở trạng thái bình thường với vật liệu loại n Ag-paste tạo thành, rất có thể, một mối nối bán pn chịu trách nhiệm cho hành vi PV của gốm YBCO ở nhiệt độ cao. Những quan sát của chúng tôi làm sáng tỏ thêm nguồn gốc của hiệu ứng PV trong gốm YBCO siêu dẫn nhiệt độ cao và mở đường cho ứng dụng của nó trong các thiết bị quang điện tử như máy dò ánh sáng thụ động nhanh, v.v.
Hình 1a–c cho thấy đặc tính IV của mẫu gốm YBCO ở 50 K. Khi không có ánh sáng chiếu vào, điện áp trên mẫu vẫn bằng 0 khi dòng điện thay đổi, như có thể mong đợi từ vật liệu siêu dẫn. Hiệu ứng quang điện rõ ràng xuất hiện khi chùm tia laser hướng vào catốt (Hình 1a): các đường cong IV song song với trục I di chuyển xuống dưới khi cường độ laser tăng. Rõ ràng là có điện áp quang cảm ứng âm ngay cả khi không có bất kỳ dòng điện nào (thường được gọi là điện áp mạch hở Voc). Độ dốc bằng 0 của đường cong IV chỉ ra rằng mẫu vẫn siêu dẫn khi có ánh sáng laser chiếu vào.
(a–c) và 300 K (e–g). Các giá trị của V(I) thu được bằng cách quét dòng điện từ −10 mA đến +10 mA trong chân không. Chỉ một phần dữ liệu thực nghiệm được trình bày để làm rõ. a, Đặc tính dòng điện-điện áp của YBCO được đo bằng điểm laser đặt tại catốt (i). Tất cả các đường cong IV đều là các đường thẳng nằm ngang cho biết mẫu vẫn siêu dẫn khi chiếu laser. Đường cong di chuyển xuống khi cường độ laser tăng, cho biết tồn tại một điện thế âm (Voc) giữa hai dây dẫn điện áp ngay cả khi dòng điện bằng không. Các đường cong IV không thay đổi khi laser được hướng vào tâm của mẫu ở ether 50 K (b) hoặc 300 K (f). Đường ngang di chuyển lên khi anot được chiếu sáng (c). Mô hình sơ đồ của mối nối kim loại-siêu dẫn ở 50 K được thể hiện trong d. Đặc tính dòng điện-điện áp của YBCO trạng thái bình thường ở 300 K được đo bằng chùm tia laser hướng vào catốt và anot được đưa ra tương ứng trong e và g. Ngược lại với kết quả ở 50 K, độ dốc khác không của các đường thẳng chỉ ra rằng YBCO ở trạng thái bình thường; các giá trị của Voc thay đổi theo cường độ ánh sáng theo hướng ngược lại, chỉ ra một cơ chế tách điện tích khác. Một cấu trúc giao diện có thể có ở 300 K được mô tả trong hj Hình ảnh thực của mẫu có dây dẫn.
YBCO giàu oxy ở trạng thái siêu dẫn có thể hấp thụ gần như toàn bộ quang phổ ánh sáng mặt trời do khoảng cách năng lượng rất nhỏ (Eg)9,10 của nó, do đó tạo ra các cặp electron-lỗ trống (e–h). Để tạo ra điện áp mạch hở Voc bằng cách hấp thụ các photon, cần phải tách các cặp eh do quang sinh ra về mặt không gian trước khi xảy ra sự tái hợp18. Voc âm, so với catốt và anot như thể hiện trong Hình 1i, cho thấy tồn tại một điện thế trên giao diện kim loại-siêu dẫn, quét các electron về anot và các lỗ trống về catốt. Nếu đúng như vậy, cũng phải có một điện thế hướng từ siêu dẫn đến điện cực kim loại tại anot. Do đó, sẽ thu được Voc dương nếu vùng mẫu gần anot được chiếu sáng. Hơn nữa, sẽ không có điện áp cảm ứng quang khi điểm laser được hướng đến các vùng xa điện cực. Chắc chắn là như vậy như có thể thấy trong Hình 1b,c!.
Khi điểm sáng di chuyển từ điện cực catốt đến tâm mẫu (cách giao diện khoảng 1,25 mm), không có sự thay đổi nào của đường cong IV và không có Voc nào có thể được quan sát thấy khi cường độ laser tăng lên đến giá trị cực đại có sẵn (Hình 1b). Đương nhiên, kết quả này có thể được quy cho thời gian sống hạn chế của các hạt mang quang cảm ứng và lực tách không có trong mẫu. Các cặp lỗ electron có thể được tạo ra bất cứ khi nào mẫu được chiếu sáng, nhưng hầu hết các cặp e–h sẽ bị hủy và không quan sát thấy hiệu ứng quang điện nào nếu điểm laser rơi vào các khu vực cách xa bất kỳ điện cực nào. Di chuyển điểm laser đến các điện cực anot, các đường cong IV song song với trục I di chuyển lên trên khi cường độ laser tăng (Hình 1c). Trường điện tích hợp tương tự tồn tại trong mối nối kim loại-siêu dẫn tại anot. Tuy nhiên, điện cực kim loại kết nối với cực dương của hệ thống thử nghiệm lần này. Các lỗ do tia laser tạo ra được đẩy đến cực anot và do đó quan sát thấy Voc dương. Các kết quả trình bày ở đây cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng thực sự tồn tại một điện thế giao diện hướng từ chất siêu dẫn đến điện cực kim loại.
Hiệu ứng quang điện trong gốm YBa2Cu3O6.96 ở 300 K được thể hiện trong Hình 1e–g. Khi không có ánh sáng chiếu vào, đường cong IV của mẫu là một đường thẳng cắt qua gốc tọa độ. Đường thẳng này di chuyển lên trên song song với đường thẳng ban đầu khi cường độ tia laser chiếu vào các dây dẫn catốt tăng dần (Hình 1e). Có hai trường hợp giới hạn quan tâm đối với một thiết bị quang điện. Tình trạng ngắn mạch xảy ra khi V = 0. Dòng điện trong trường hợp này được gọi là dòng điện ngắn mạch (Isc). Trường hợp giới hạn thứ hai là tình trạng mạch hở (Voc) xảy ra khi R→∞ hoặc dòng điện bằng không. Hình 1e cho thấy rõ ràng rằng Voc là dương và tăng khi cường độ ánh sáng tăng, trái ngược với kết quả thu được ở 50 K; trong khi Isc âm được quan sát thấy tăng về độ lớn khi có ánh sáng chiếu vào, một hành vi điển hình của các tế bào năng lượng mặt trời thông thường.
Tương tự như vậy, khi chùm tia laser được chiếu vào các khu vực cách xa điện cực, đường cong V(I) không phụ thuộc vào cường độ laser và không xuất hiện hiệu ứng quang điện (Hình 1f). Tương tự như phép đo ở 50 K, đường cong IV di chuyển theo hướng ngược lại khi điện cực anot được chiếu xạ (Hình 1g). Tất cả các kết quả thu được cho hệ thống bột nhão YBCO-Ag này ở 300 K với laser được chiếu xạ ở các vị trí khác nhau của mẫu đều phù hợp với điện thế giao diện ngược với điện thế quan sát được ở 50 K.
Hầu hết các electron ngưng tụ thành cặp Cooper trong YBCO siêu dẫn dưới nhiệt độ chuyển tiếp Tc của nó. Trong khi ở điện cực kim loại, tất cả các electron vẫn ở dạng đơn lẻ. Có một gradient mật độ lớn cho cả electron đơn lẻ và cặp Cooper trong vùng lân cận của giao diện kim loại-siêu dẫn. Các electron đơn lẻ của hạt mang điện đa số trong vật liệu kim loại sẽ khuếch tán vào vùng siêu dẫn, trong khi các cặp Cooper của hạt mang điện đa số trong vùng YBCO sẽ khuếch tán vào vùng kim loại. Vì các cặp Cooper mang nhiều điện tích hơn và có độ linh động lớn hơn các electron đơn lẻ khuếch tán từ YBCO vào vùng kim loại, các nguyên tử tích điện dương bị bỏ lại phía sau, tạo ra một trường điện trong vùng điện tích không gian. Hướng của trường điện này được thể hiện trong sơ đồ Hình 1d. Chiếu sáng photon tới gần vùng điện tích không gian có thể tạo ra các cặp eh sẽ bị tách ra và quét ra ngoài tạo ra dòng điện quang theo hướng phân cực ngược. Ngay khi các electron thoát khỏi trường điện tích tích hợp, chúng sẽ được ngưng tụ thành các cặp và chảy đến điện cực khác mà không có điện trở. Trong trường hợp này, Voc ngược với cực tính được thiết lập trước và hiển thị giá trị âm khi chùm tia laser hướng đến khu vực xung quanh điện cực âm. Từ giá trị của Voc, có thể ước tính điện thế trên giao diện: khoảng cách giữa hai dây dẫn điện áp d là ~5 × 10−3 m, độ dày của giao diện kim loại-siêu dẫn, di, phải có cùng cấp độ lớn với độ dài kết hợp của siêu dẫn YBCO (~1 nm)19,20, lấy giá trị của Voc = 0,03 mV, điện thế Vms tại giao diện kim loại-siêu dẫn được đánh giá là ~10−11 V ở 50 K với cường độ laser là 502 mW/cm2, sử dụng phương trình,
Chúng tôi muốn nhấn mạnh ở đây rằng điện áp cảm ứng quang không thể được giải thích bằng hiệu ứng quang nhiệt. Người ta đã xác lập bằng thực nghiệm rằng hệ số Seebeck của siêu dẫn YBCO là Ss = 021. Hệ số Seebeck đối với dây dẫn bằng đồng nằm trong khoảng SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Nhiệt độ của dây đồng tại điểm laser có thể tăng lên một lượng nhỏ là 0,06 K với cường độ laser cực đại có sẵn ở 50 K. Điều này có thể tạo ra thế nhiệt điện là 6,9 × 10−8 V, nhỏ hơn ba bậc độ lớn so với Voc thu được trong Hình 1 (a). Rõ ràng là hiệu ứng nhiệt điện quá nhỏ để giải thích các kết quả thực nghiệm. Trên thực tế, sự thay đổi nhiệt độ do chiếu xạ laser sẽ biến mất trong vòng chưa đầy một phút nên có thể bỏ qua sự đóng góp của hiệu ứng nhiệt một cách an toàn.
Hiệu ứng quang điện của YBCO ở nhiệt độ phòng cho thấy một cơ chế tách điện tích khác có liên quan ở đây. YBCO siêu dẫn ở trạng thái bình thường là vật liệu loại p có lỗ trống làm chất mang điện tích22,23, trong khi bột nhão Ag kim loại có đặc điểm của vật liệu loại n. Tương tự như các mối nối pn, sự khuếch tán của các electron trong bột nhão bạc và lỗ trống trong gốm YBCO sẽ tạo thành một trường điện bên trong hướng đến gốm YBCO tại giao diện (Hình 1h). Chính trường bên trong này cung cấp lực tách và dẫn đến Voc dương và Isc âm cho hệ bột nhão YBCO-Ag ở nhiệt độ phòng, như thể hiện trong Hình 1e. Ngoài ra, Ag-YBCO có thể tạo thành mối nối Schottky loại p cũng dẫn đến thế giao diện có cùng cực tính như trong mô hình trình bày ở trên24.
Để nghiên cứu quá trình tiến hóa chi tiết của các tính chất quang điện trong quá trình chuyển đổi siêu dẫn của YBCO, các đường cong IV của mẫu ở 80 K đã được đo bằng cường độ laser đã chọn chiếu sáng tại điện cực catốt (Hình 2). Nếu không chiếu xạ laser, điện áp trên mẫu giữ nguyên ở mức 0 bất kể dòng điện, cho thấy trạng thái siêu dẫn của mẫu ở 80 K (Hình 2a). Tương tự như dữ liệu thu được ở 50 K, các đường cong IV song song với trục I di chuyển xuống dưới khi cường độ laser tăng cho đến khi đạt đến giá trị tới hạn Pc. Trên cường độ laser tới hạn (Pc) này, siêu dẫn trải qua quá trình chuyển đổi từ pha siêu dẫn sang pha điện trở; điện áp bắt đầu tăng theo dòng điện do xuất hiện điện trở trong siêu dẫn. Kết quả là, đường cong IV bắt đầu giao nhau với trục I và trục V dẫn đến Voc âm và Isc dương lúc đầu. Bây giờ mẫu có vẻ như đang ở trạng thái đặc biệt trong đó cực tính của Voc và Isc cực kỳ nhạy cảm với cường độ ánh sáng; với sự gia tăng rất nhỏ về cường độ ánh sáng, Isc được chuyển từ giá trị dương sang giá trị âm và Voc từ giá trị âm sang giá trị dương, đi qua gốc tọa độ (độ nhạy cao của các đặc tính quang điện, đặc biệt là giá trị của Isc, đối với ánh sáng chiếu vào có thể thấy rõ hơn trong Hình 2b). Ở cường độ laser cao nhất có thể, các đường cong IV có xu hướng song song với nhau, biểu thị trạng thái bình thường của mẫu YBCO.
Tâm điểm của điểm laser được định vị xung quanh các điện cực catốt (xem Hình 1i). a, Đường cong IV của YBCO được chiếu xạ bằng các cường độ laser khác nhau. b (trên), Sự phụ thuộc của cường độ laser vào điện áp mạch hở Voc và dòng điện ngắn mạch Isc. Không thể thu được các giá trị Isc ở cường độ ánh sáng thấp (< 110 mW/cm2) vì các đường cong IV song song với trục I khi mẫu ở trạng thái siêu dẫn. b (dưới), điện trở vi sai theo hàm của cường độ laser.
Sự phụ thuộc vào cường độ laser của Voc và Isc ở 80 K được thể hiện trong Hình 2b (phía trên). Các tính chất quang điện có thể được thảo luận trong ba vùng cường độ ánh sáng. Vùng đầu tiên nằm giữa 0 và Pc, trong đó YBCO là siêu dẫn, Voc âm và giảm (giá trị tuyệt đối tăng) theo cường độ ánh sáng và đạt cực tiểu tại Pc. Vùng thứ hai là từ Pc đến một cường độ tới hạn khác là P0, trong đó Voc tăng trong khi Isc giảm khi cường độ ánh sáng tăng và cả hai đều đạt đến 0 tại P0. Vùng thứ ba nằm trên P0 cho đến khi đạt được trạng thái bình thường của YBCO. Mặc dù cả Voc và Isc đều thay đổi theo cường độ ánh sáng theo cùng một cách như trong vùng 2, nhưng chúng có cực tính ngược nhau trên cường độ tới hạn P0. Ý nghĩa của P0 nằm ở chỗ không có hiệu ứng quang điện và cơ chế tách điện tích thay đổi về mặt định tính tại điểm cụ thể này. Mẫu YBCO trở nên không siêu dẫn trong phạm vi cường độ ánh sáng này nhưng trạng thái bình thường vẫn chưa đạt được.
Rõ ràng, các đặc tính quang điện của hệ thống có liên quan chặt chẽ đến tính siêu dẫn của YBCO và quá trình chuyển đổi siêu dẫn của nó. Điện trở vi sai, dV/dI, của YBCO được thể hiện trong Hình 2b (phía dưới) như một hàm của cường độ laser. Như đã đề cập trước đó, điện thế tích hợp trong giao diện do các điểm khuếch tán cặp Cooper từ siêu dẫn đến kim loại. Tương tự như hiệu ứng quan sát được ở 50 K, hiệu ứng quang điện được tăng cường khi cường độ laser tăng từ 0 đến Pc. Khi cường độ laser đạt đến giá trị hơi cao hơn Pc, đường cong IV bắt đầu nghiêng và điện trở của mẫu bắt đầu xuất hiện, nhưng cực tính của điện thế giao diện vẫn chưa thay đổi. Hiệu ứng của sự kích thích quang học lên tính siêu dẫn đã được nghiên cứu trong vùng khả kiến hoặc gần IR. Trong khi quá trình cơ bản là phá vỡ các cặp Cooper và phá hủy tính siêu dẫn25,26, trong một số trường hợp, quá trình chuyển đổi siêu dẫn có thể được tăng cường27,28,29, các pha siêu dẫn mới thậm chí có thể được tạo ra30. Sự vắng mặt của siêu dẫn tại Pc có thể được quy cho sự phá vỡ cặp do quang cảm ứng. Tại điểm P0, điện thế trên giao diện trở thành 0, cho thấy mật độ điện tích ở cả hai bên của giao diện đạt đến cùng một mức dưới cường độ chiếu sáng cụ thể này. Tăng thêm cường độ laser dẫn đến nhiều cặp Cooper bị phá hủy hơn và YBCO dần dần được chuyển đổi trở lại thành vật liệu loại p. Thay vì sự khuếch tán của cặp electron và Cooper, đặc điểm của giao diện hiện được xác định bởi sự khuếch tán của electron và lỗ trống dẫn đến sự đảo ngược cực tính của trường điện trong giao diện và do đó là Voc dương (so sánh Hình 1d, h). Ở cường độ laser rất cao, điện trở vi sai của YBCO bão hòa đến một giá trị tương ứng với trạng thái bình thường và cả Voc và Isc có xu hướng thay đổi tuyến tính theo cường độ laser (Hình 2b). Quan sát này cho thấy rằng chiếu laser vào YBCO ở trạng thái bình thường sẽ không còn thay đổi điện trở suất và đặc điểm của giao diện siêu dẫn-kim loại mà chỉ làm tăng nồng độ của các cặp electron-lỗ trống.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất quang điện, hệ thống siêu dẫn kim loại được chiếu xạ tại catốt bằng tia laser xanh có cường độ 502 mW/cm2. Đường cong IV thu được ở nhiệt độ đã chọn trong khoảng từ 50 đến 300 K được đưa ra trong Hình 3a. Sau đó, có thể thu được điện áp mạch hở Voc, dòng điện mạch ngắn Isc và điện trở vi sai từ các đường cong IV này và được thể hiện trong Hình 3b. Khi không có ánh sáng chiếu vào, tất cả các đường cong IV đo được ở các nhiệt độ khác nhau đều đi qua gốc tọa độ như mong đợi (hình chèn của Hình 3a). Các đặc tính IV thay đổi mạnh khi nhiệt độ tăng khi hệ thống được chiếu sáng bằng chùm tia laser tương đối mạnh (502 mW/cm2). Ở nhiệt độ thấp, các đường cong IV là các đường thẳng song song với trục I với các giá trị âm của Voc. Đường cong này dịch chuyển lên trên khi nhiệt độ tăng và dần dần biến thành một đường có độ dốc khác không ở nhiệt độ tới hạn Tcp (Hình 3a (trên cùng)). Có vẻ như tất cả các đường cong đặc tính IV đều quay quanh một điểm ở góc phần tư thứ ba. Voc tăng từ giá trị âm sang giá trị dương trong khi Isc giảm từ giá trị dương sang giá trị âm. Trên nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn ban đầu Tc của YBCO, đường cong IV thay đổi khá khác nhau theo nhiệt độ (phía dưới của Hình 3a). Đầu tiên, tâm quay của đường cong IV di chuyển đến góc phần tư thứ nhất. Thứ hai, Voc tiếp tục giảm và Isc tăng khi nhiệt độ tăng (phía trên của Hình 3b). Thứ ba, độ dốc của đường cong IV tăng tuyến tính theo nhiệt độ dẫn đến hệ số nhiệt độ dương của điện trở đối với YBCO (phía dưới của Hình 3b).
Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đặc tính quang điện đối với hệ thống bột nhão YBCO-Ag dưới ánh sáng laser 502 mW/cm2.
Tâm điểm của điểm laser được định vị xung quanh các điện cực catốt (xem Hình 1i). a, Đường cong IV thu được từ 50 đến 90 K (phía trên) và từ 100 đến 300 K (phía dưới) với mức tăng nhiệt độ lần lượt là 5 K và 20 K. Hình chèn a cho thấy các đặc tính IV ở một số nhiệt độ trong bóng tối. Tất cả các đường cong đều cắt điểm gốc. b, điện áp mạch hở Voc và dòng điện ngắn mạch Isc (phía trên) và điện trở vi sai, dV/dI, của YBCO (phía dưới) theo hàm của nhiệt độ. Nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn điện trở bằng không Tcp không được đưa ra vì nó quá gần với Tc0.
Có thể nhận ra ba nhiệt độ tới hạn từ Hình 3b: Tcp, trên đó YBCO trở thành không siêu dẫn; Tc0, tại đó cả Voc và Isc đều bằng 0 và Tc, nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn ban đầu của YBCO mà không cần chiếu xạ laser. Dưới Tcp ~ 55 K, YBCO được chiếu xạ laser ở trạng thái siêu dẫn với nồng độ cặp Cooper tương đối cao. Hiệu ứng của chiếu xạ laser là làm giảm nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn điện trở bằng 0 từ 89 K xuống ~ 55 K (phía dưới Hình 3b) bằng cách giảm nồng độ cặp Cooper ngoài việc tạo ra điện áp và dòng điện quang điện. Nhiệt độ tăng cũng phá vỡ các cặp Cooper dẫn đến điện thế thấp hơn ở giao diện. Do đó, giá trị tuyệt đối của Voc sẽ trở nên nhỏ hơn, mặc dù cường độ chiếu sáng laser giống nhau được áp dụng. Điện thế giao diện sẽ trở nên nhỏ hơn và nhỏ hơn khi nhiệt độ tiếp tục tăng và đạt 0 tại Tc0. Không có hiệu ứng quang điện tại điểm đặc biệt này vì không có trường bên trong để tách các cặp electron-lỗ trống quang điện. Sự đảo ngược cực của điện thế xảy ra trên nhiệt độ tới hạn này vì mật độ điện tích tự do trong bột Ag lớn hơn mật độ trong YBCO, dần dần được chuyển trở lại vật liệu loại p. Ở đây, chúng tôi muốn nhấn mạnh rằng sự đảo ngược cực của Voc và Isc xảy ra ngay sau quá trình chuyển đổi siêu dẫn điện trở bằng không, bất kể nguyên nhân của quá trình chuyển đổi là gì. Quan sát này lần đầu tiên cho thấy rõ mối tương quan giữa siêu dẫn và các hiệu ứng quang điện liên quan đến điện thế giao diện kim loại-siêu dẫn. Bản chất của điện thế này trên giao diện siêu dẫn-kim loại thông thường đã là trọng tâm nghiên cứu trong vài thập kỷ qua nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi đang chờ được giải đáp. Đo lường hiệu ứng quang điện có thể chứng tỏ là một phương pháp hiệu quả để khám phá các chi tiết (như cường độ và cực tính, v.v.) của điện thế quan trọng này và do đó làm sáng tỏ hiệu ứng lân cận siêu dẫn nhiệt độ cao.
Nhiệt độ tiếp tục tăng từ Tc0 đến Tc dẫn đến nồng độ cặp Cooper nhỏ hơn và sự tăng cường trong thế giao diện và do đó Voc lớn hơn. Ở Tc, nồng độ cặp Cooper trở thành 0 và thế tích hợp tại giao diện đạt cực đại, dẫn đến Voc cực đại và Isc cực tiểu. Sự gia tăng nhanh chóng của Voc và Isc (giá trị tuyệt đối) trong phạm vi nhiệt độ này tương ứng với quá trình chuyển đổi siêu dẫn được mở rộng từ ΔT ~ 3 K đến ~ 34 K bằng cách chiếu xạ laser có cường độ 502 mW/cm2 (Hình 3b). Ở trạng thái bình thường trên Tc, điện áp mạch hở Voc giảm theo nhiệt độ (phía trên của Hình 3b), tương tự như hành vi tuyến tính của Voc đối với pin mặt trời thông thường dựa trên các mối nối pn31,32,33. Mặc dù tốc độ thay đổi của Voc theo nhiệt độ (−dVoc/dT), phụ thuộc mạnh vào cường độ laser, nhỏ hơn nhiều so với tốc độ thay đổi của pin mặt trời thông thường, nhưng hệ số nhiệt độ của Voc đối với mối nối YBCO-Ag có cùng cấp độ với pin mặt trời. Dòng rò rỉ của mối nối pn đối với thiết bị pin mặt trời thông thường tăng khi nhiệt độ tăng, dẫn đến Voc giảm khi nhiệt độ tăng. Đường cong IV tuyến tính quan sát được đối với hệ thống siêu dẫn Ag này, trước tiên là do điện thế giao diện rất nhỏ và thứ hai là do kết nối lưng-lưng của hai mối nối dị chất, khiến việc xác định dòng rò rỉ trở nên khó khăn. Tuy nhiên, có vẻ rất có thể sự phụ thuộc nhiệt độ tương tự của dòng rò rỉ chịu trách nhiệm cho hành vi của Voc được quan sát thấy trong thí nghiệm của chúng tôi. Theo định nghĩa, Isc là dòng điện cần thiết để tạo ra điện áp âm để bù Voc sao cho tổng điện áp bằng không. Khi nhiệt độ tăng, Voc trở nên nhỏ hơn nên cần ít dòng điện hơn để tạo ra điện áp âm. Hơn nữa, điện trở của YBCO tăng tuyến tính theo nhiệt độ trên Tc (phía dưới của Hình 3b), điều này cũng góp phần làm cho giá trị tuyệt đối của Isc nhỏ hơn ở nhiệt độ cao.
Lưu ý rằng các kết quả đưa ra trong Hình 2,3 thu được bằng cách chiếu laser vào khu vực xung quanh điện cực catốt. Các phép đo cũng đã được lặp lại với điểm laser được đặt tại anode và các đặc tính IV và tính chất quang điện tương tự đã được quan sát thấy ngoại trừ cực tính của Voc và Isc đã bị đảo ngược trong trường hợp này. Tất cả các dữ liệu này dẫn đến một cơ chế cho hiệu ứng quang điện, có liên quan chặt chẽ đến giao diện siêu dẫn-kim loại.
Tóm lại, các đặc tính IV của hệ thống bột nhão siêu dẫn YBCO-Ag chiếu xạ bằng laser đã được đo như các hàm của nhiệt độ và cường độ laser. Hiệu ứng quang điện đáng chú ý đã được quan sát thấy trong phạm vi nhiệt độ từ 50 đến 300 K. Người ta thấy rằng các đặc tính quang điện có mối tương quan mạnh với tính siêu dẫn của gốm YBCO. Sự đảo ngược cực tính của Voc và Isc xảy ra ngay sau quá trình chuyển đổi từ siêu dẫn sang không siêu dẫn do quang cảm ứng. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của Voc và Isc được đo ở cường độ laser cố định cũng cho thấy sự đảo ngược cực tính rõ rệt ở nhiệt độ tới hạn mà trên đó mẫu trở thành điện trở. Bằng cách định vị điểm laser đến các phần khác nhau của mẫu, chúng tôi chứng minh rằng tồn tại một điện thế trên giao diện, cung cấp lực tách cho các cặp electron-lỗ trống do quang cảm ứng. Điện thế giao diện này hướng từ YBCO đến điện cực kim loại khi YBCO siêu dẫn và chuyển sang hướng ngược lại khi mẫu trở thành không siêu dẫn. Nguồn gốc của điện thế có thể liên quan tự nhiên đến hiệu ứng lân cận tại giao diện kim loại-siêu dẫn khi YBCO siêu dẫn và ước tính là ~10−8 mV ở 50 K với cường độ laser là 502 mW/cm2. Tiếp xúc của vật liệu loại p YBCO ở trạng thái bình thường với vật liệu loại n Ag-paste tạo thành mối nối bán pn chịu trách nhiệm cho hành vi quang điện của gốm YBCO ở nhiệt độ cao. Các quan sát trên làm sáng tỏ hiệu ứng quang điện trong gốm YBCO siêu dẫn nhiệt độ cao và mở đường cho các ứng dụng mới trong các thiết bị quang điện tử như máy dò ánh sáng thụ động nhanh và máy dò photon đơn.
Các thí nghiệm hiệu ứng quang điện được thực hiện trên mẫu gốm YBCO dày 0,52 mm và hình chữ nhật 8,64 × 2,26 mm2 và được chiếu sáng bằng tia laser xanh sóng liên tục (λ = 450 nm) với kích thước điểm laser bán kính 1,25 mm. Sử dụng mẫu khối thay vì mẫu màng mỏng cho phép chúng tôi nghiên cứu các tính chất quang điện của siêu dẫn mà không phải xử lý ảnh hưởng phức tạp của chất nền6,7. Hơn nữa, vật liệu khối có thể thuận lợi cho quy trình chuẩn bị đơn giản và chi phí tương đối thấp. Các dây dẫn bằng đồng được kết dính trên mẫu YBCO với bột bạc tạo thành bốn điện cực tròn có đường kính khoảng 1 mm. Khoảng cách giữa hai điện cực điện áp là khoảng 5 mm. Các đặc tính IV của mẫu được đo bằng từ kế mẫu rung (VersaLab, Quantum Design) với cửa sổ tinh thể thạch anh. Phương pháp bốn dây tiêu chuẩn được sử dụng để thu được các đường cong IV. Vị trí tương đối của các điện cực và điểm laser được thể hiện trong Hình 1i.
Cách trích dẫn bài viết này: Yang, F. et al. Nguồn gốc của hiệu ứng quang điện trong gốm siêu dẫn YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Điện áp cảm ứng laser bị cấm đối xứng trong YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Nguồn gốc của tín hiệu quang điện bất thường trong Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Đo điện áp cảm ứng laser của siêu dẫn Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Điện áp cảm ứng laser tạm thời trong màng YBa2Cu3O7-x ở nhiệt độ phòng. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Phản ứng quang điện bất thường trong YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Tiêm chất mang lỗ được tạo ra bằng quang học vào YBa2Cu3O7−x trong cấu trúc dị thể oxit. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Nghiên cứu phát xạ quang của màng mỏng YBa2Cu3Oy dưới ánh sáng chiếu sáng. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Hiệu ứng quang điện của dị hợp YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb được ủ trong áp suất riêng phần oxy khác nhau. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Cấu trúc hai khoảng trống trong tinh thể đơn Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Động lực học giãn nở của hạt bán dẫn trong các siêu dẫn có cấu trúc khe hở khác nhau: Lý thuyết và thí nghiệm trên YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Tính chất chỉnh lưu của dị hợp YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Hấp thụ excitonic và siêu dẫn trong YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Độ dẫn quang cảm ứng tạm thời trong tinh thể đơn bán dẫn của YBa2Cu3O6.3: tìm kiếm trạng thái kim loại cảm ứng quang và siêu dẫn cảm ứng quang. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Mô hình đường hầm của hiệu ứng lân cận siêu dẫn. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Hiệu ứng lân cận siêu dẫn được thăm dò trên thang đo chiều dài vi mô. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Hiệu ứng gần với siêu dẫn không đối xứng tâm. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Hiệu ứng lân cận siêu dẫn mạnh trong các cấu trúc lai Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Một tế bào quang điện nối pn silicon mới để chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Ảnh hưởng của tạp chất lên độ dài liên kết siêu dẫn trong tinh thể đơn YBa2Cu3O6.9 pha tạp Zn hoặc Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Điện trở từ của các tinh thể đơn YBa2Cu3Oy không ghép đôi trong phạm vi pha tạp rộng: sự phụ thuộc pha tạp lỗ dị thường của độ dài liên kết. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Hệ thống trong năng lượng nhiệt điện của oxit T cao. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Sự dịch chuyển động lượng phụ thuộc vào mật độ hạt mang của đỉnh liên kết và chế độ phonon LO trong siêu dẫn nhiệt độ cao loại p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Giảm lỗ và tích tụ electron trong màng mỏng YBa2Cu3Oy sử dụng kỹ thuật điện hóa: Bằng chứng cho trạng thái kim loại loại n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Vật lý và hóa học của chiều cao rào cản Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Tác động của sự phá vỡ cặp bên ngoài động trong màng siêu dẫn. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Tăng cường siêu dẫn cảm ứng quang. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Độ quang dẫn bền vững trong màng YBa2Cu3O6+x như một phương pháp quang dẫn hướng tới pha kim loại và pha siêu dẫn. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Động lực học mạng phi tuyến tính làm cơ sở cho siêu dẫn tăng cường trong YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Siêu dẫn cảm ứng ánh sáng trong cuprate có trật tự sọc. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Sự phụ thuộc chức năng nhiệt độ của VOC đối với pin mặt trời liên quan đến hiệu quả của nó, phương pháp tiếp cận mới. Khử muối 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Hiệu ứng nhiệt độ trong các tế bào năng lượng mặt trời silicon Schottky-barrier. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Sự phụ thuộc nhiệt độ đối với các thông số thiết bị quang điện của pin mặt trời polymer-fullerene trong điều kiện hoạt động. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc (Số tài trợ 60571063), Dự án nghiên cứu cơ bản của tỉnh Hà Nam, Trung Quốc (Số tài trợ 122300410231).
FY viết văn bản của bài báo và MYH chuẩn bị mẫu gốm YBCO. FY và MYH thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả. FGC dẫn đầu dự án và diễn giải khoa học dữ liệu. Tất cả các tác giả đã xem xét bản thảo.
Tác phẩm này được cấp phép theo Giấy phép Creative Commons Attribution 4.0 Quốc tế. Hình ảnh hoặc tài liệu của bên thứ ba khác trong bài viết này được bao gồm trong giấy phép Creative Commons của bài viết, trừ khi có ghi chú khác trong dòng tín dụng; nếu tài liệu không được bao gồm theo giấy phép Creative Commons, người dùng sẽ cần phải xin phép chủ sở hữu giấy phép để sao chép tài liệu. Để xem bản sao của giấy phép này, hãy truy cập http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Nguồn gốc của hiệu ứng quang điện trong gốm siêu dẫn YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Bằng cách gửi bình luận, bạn đồng ý tuân thủ Điều khoản và Nguyên tắc cộng đồng của chúng tôi. Nếu bạn thấy có nội dung nào đó lạm dụng hoặc không tuân thủ các điều khoản hoặc nguyên tắc của chúng tôi, vui lòng đánh dấu là không phù hợp.
Thời gian đăng: 22-04-2020