高溫超導(dǎo)材料YBCO與SmOFFeAs的光伏特性研究.pdf

1、近年來，高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-δ、YBCO)以其優(yōu)越的物理性能在強磁體和電力方面得到廣泛應(yīng)用。自上世紀九十年代至今，世界各國科研人員一直在研究光對高溫超導(dǎo)材料電學性能、磁學性能以及超導(dǎo)性能的影響。大量實驗證明光對改善高溫超導(dǎo)材料YBCO的物性有著不可忽視的作用。2004年日本的Asakura等人用脈沖紫外光(300-400 nm)和連續(xù)X射線(355 nm)照射在摻鈮的鈦酸鍶基底材料上生長的YBCO薄膜(YBCO/N

2、STO)，觀察到0.8 V的開路電壓，揭示了高溫超導(dǎo)材料在光伏領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景。本文研究高溫超導(dǎo)薄膜樣品和塊材樣品的光伏特性，研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　首先對YBCO薄膜與NSTO襯底所構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的光伏特性進行研究。當模擬太陽光照射YBCO/NSTO異質(zhì)結(jié)時，觀察到明顯的光伏效應(yīng):開路電壓達1.065 V。為了研究高溫超導(dǎo)材料YBCO在YBCO/NSTO異質(zhì)結(jié)光伏效應(yīng)中的作用，我們在逐漸增加氧分壓的條件下對異質(zhì)結(jié)進行退火處

3、理，發(fā)現(xiàn)YBCO薄膜氧含量與異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)密切相關(guān):富氧的YBCO薄膜與NSTO構(gòu)成肖特基結(jié)而缺氧的YBCO薄膜與NSTO構(gòu)成p-n結(jié)，兩種異質(zhì)結(jié)所產(chǎn)生的光伏效應(yīng)不同。 YBCO/NSTO異質(zhì)結(jié)光伏效應(yīng)與樣品溫度有很大關(guān)系:隨著環(huán)境溫度的升高，開路電壓線性減小，短路電流線性增大。在對YBCO/NSTO異質(zhì)結(jié)進行退火處理時，最好先將退火爐抽為高真空狀態(tài)，然后通入高純氧氣，這樣可以避免在YBCO樣品表面引入雜質(zhì)，出現(xiàn)S型I-V曲線，使器件

4、填充因子減小，影響光電轉(zhuǎn)換效率。
　　其次對YBCO塊材與金屬電極所構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的光伏特性進行系統(tǒng)研究。激光照射YBCO樣品電極（銀或銀膠電極）附近時，樣品的I-V特性曲線發(fā)生明顯變化。當YBCO處于正常態(tài)時，光照樣品負極附近，I-V特性曲線偏離原點且隨著光強的增加而平行上移，分別與x軸和y軸相交，形成短路電流和開路電壓;當光照樣品正極時，所觀測的現(xiàn)象與光照負極恰恰相反;而當激光光照射YBCO兩電極中間位置時，I-V特性不再隨著光強

5、的變化而變化，開路電壓和短路電流都為零。由實驗現(xiàn)象分析可知，即使是在歐姆接觸的情況下，在YBCO陶瓷和Ag電極之間的界面處也存在一個電勢差。正常態(tài)YBCO與Ag所構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的界面處內(nèi)建電場方向方向由Ag電極指向YBCO樣品。超導(dǎo)態(tài)的界面處內(nèi)建電場方向恰好相反，由超導(dǎo)體指向金屬電極。通過研究溫度、激光光強、磁場對YBCO/Ag異質(zhì)結(jié)光伏特性的影響，建立了YBCO/Ag異質(zhì)結(jié)光伏效應(yīng)的物理模型，為進一步深入研究超導(dǎo)-金屬界面處的鄰近效應(yīng)提供

6、了新思路和新方法。超導(dǎo)態(tài)界面勢的發(fā)現(xiàn)，對深入研究高溫超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機理有著十分重要的意義。
　　在對正常態(tài)YBCO與Ag電極構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)光伏特性測試過程中我們發(fā)現(xiàn)，光強一定時，不同溫度下樣品的I-V特性曲線相交于一點。當激勵電流與該點對應(yīng)的電流相等時，樣品在很大溫區(qū)內(nèi)可輸出穩(wěn)定電壓，具有零電阻溫度系數(shù)效應(yīng)。這種由激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的零電阻溫度系數(shù)對拓展高溫超導(dǎo)材料YBCO在光電子領(lǐng)域的新應(yīng)用有重要意義。
　　最后我們對n型鐵基超導(dǎo)

7、材料SmOFFeAs與金屬電極構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的光伏特性進行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論在超導(dǎo)態(tài)還是在正常態(tài)，用激光照射SmOFFeAs電極附近時，均可觀察到非常明顯的光伏效應(yīng)。光照正常態(tài)SmOFFeAs樣品時，開路電壓和短路電流的絕對值均隨溫度的升高而減小;在某一溫度下，光伏效應(yīng)隨著光強的增加而增強。進一步的研究發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近磁場對SmOFFeAs樣品的光伏效應(yīng)有顯著影響。與銅基高溫超導(dǎo)材料YBCO光伏特性相對比，相同條件下SmOFFeA

8、s樣品的開路電壓和短路電流（絕對值）都較YBCO大。因此，通過研究SmOFFeAs樣品光生電壓的建立過程來研究界面勢的形成可大大減小分析誤差。在超導(dǎo)態(tài)，n型鐵基高溫超導(dǎo)材料SmOFFeAs和p型銅基高溫超導(dǎo)材料YBCO的界面處內(nèi)建電場方向相同（由超導(dǎo)材料指向金屬電極），而在正常態(tài)恰好相反。這進一步證明了超導(dǎo)態(tài)界面勢是由庫珀對的擴散引起的，無論這些庫珀對是來自哪種超導(dǎo)體。當超導(dǎo)材料處于正常態(tài)時，界面勢與樣品載流子濃度、類型以及電荷遷移率等