高溫超導(dǎo)材料YBCO與SmOFFeAs的光伏特性研究

【摘要】：近年來,高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-d、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(jì)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(xué)性能、磁學(xué)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/NSTO),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(jìn)行研究。當(dāng)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(dá)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(jìn)行退火處理,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(jìn)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(jìn)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(dāng)YBCO處于正常態(tài)時,光照樣品負(fù)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(dāng)光照樣品正極時,所觀測的現(xiàn)象與光照負(fù)極恰恰相反;而當(dāng)激光光照射YBCO兩電極中間位置時,I-V特性不再隨著光強的變化而變化,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)II 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(jìn)一步深入研究超導(dǎo)-金屬界面處的鄰近效應(yīng)提供了新思路和新方法。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(jī)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(dāng)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)材料SmOFFeAs與金屬電極構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的光伏特性進(jìn)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(jìn)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SmOFFeAs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(jìn)一步證明了超導(dǎo)態(tài)界面勢是由庫珀對的擴(kuò)散引起的,無論這些庫珀對是來自哪種超導(dǎo)體。當(dāng)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因素有關(guān),SmOFFeAs和YBCO的與金屬Ag電極所構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)界面勢相反。目前,有關(guān)超導(dǎo)體與正常金屬界面的研究共有兩個重要發(fā)現(xiàn):一是俄羅斯物理學(xué)家阿布里科索夫于1952年提出的負(fù)的界面能;二是鄰近效應(yīng)。我們首次從實驗上證明超導(dǎo)-金屬本征界面勢的存在并解決了超導(dǎo)材料中光伏效應(yīng)的起源問題,為進(jìn)一步研究鄰近效應(yīng)、探討高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的思路,對高溫超導(dǎo)材料的實際應(yīng)用具有重要意義。 【關(guān)鍵詞】：高溫超導(dǎo)材料 光伏效應(yīng) 界面勢 超導(dǎo)機(jī)制
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM26
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 高溫超導(dǎo)材料發(fā)展概況11-12
• 1.2 高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅氧的研究12-17
• 1.2.1 Y-Ba-Cu-O體系Y-123相簡介12-13
• 1.2.2 光對高溫超導(dǎo)材料YBa_2Cu_3O（7-δ）的作用13-17
• 1.3 高溫超導(dǎo)材料YBCO的光伏特性17-20
• 1.3.1 光伏效應(yīng)簡介17-18
• 1.3.2 高溫超導(dǎo)材料的光伏特性研究18-20
• 1.4 本課題的研究思路和主要內(nèi)容20-21
• 第二章 樣品制備與性能表征21-29
• 2.1 YBa_2Cu_3O（7-δ）樣品制備21-23
• 2.1.1 YBa_2Cu_3O（7-δ） 陶瓷樣品及靶材的制備21
• 2.1.2 YBa_2Cu_3O（7-δ） 薄膜樣品的制備21-23
• 2.2 YBa_2Cu_3O（7-δ）樣品性能表征23-29
• 2.2.1 YBa_2Cu_3O（7-δ）樣品的結(jié)構(gòu)表征(XRD)23-25
• 2.2.2 YBa_2Cu_3O（7-δ）樣品的表面形貌表征(SEM)25-26
• 2.2.3 臺階儀測試YBa_2Cu_3O（7-δ）薄膜樣品厚度26
• 2.2.4 YBa_2Cu_3O（7-δ）/Nb：Sr Ti O3異質(zhì)結(jié)光伏特性測試26
• 2.2.5 YBa_2Cu_3O（7-δ）/Nb：Sr Ti O3異質(zhì)結(jié)光伏特性與溫度的依存關(guān)系測試26-27
• 2.2.6 振動樣品磁強計(Versa Lab )測試YBa_2Cu_3O（7-δ）陶瓷樣品光伏特性27-29
• 第三章 YBa_2Cu_3O（7-δ）薄膜樣品的光伏特性研究29-39
• 3.1 實驗設(shè)計29-31
• 3.2 YBa_2Cu_3O（7-δ）氧含量對異質(zhì)結(jié)光伏特性的影響31-34
• 3.3 溫度對YBCO/NSTO異質(zhì)結(jié)光伏特性的影響34-36
• 3.4 YBCO/NSTO異質(zhì)結(jié)光伏特性曲線S型彎曲36-37
• 3.5 本章小結(jié)37-39
• 第四章 YBa_2Cu_3O_6.9陶瓷樣品光伏特性研究39-65
• 4.1 YBCO陶瓷樣品的光伏特性39-44
• 4.1.1 實驗設(shè)計39
• 4.1.2 正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)的YBCO樣品光伏特性測量39-44
• 4.2 YBCO超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近的光伏特性研究44-46
• 4.3 溫度對YBCO陶瓷樣品光伏特性影響46-49
• 4.4 YBCO/Ag異質(zhì)結(jié)的零電阻溫度系數(shù)49-54
• 4.4.1 零電阻溫度系數(shù)效應(yīng)49-50
• 4.4.2 YBCO/Ag異質(zhì)結(jié)的零電阻溫度系數(shù)50-54
• 4.4.3 YBCO/Ag異質(zhì)結(jié)零電阻應(yīng)用思路簡介54
• 4.5 磁場對YBCO陶瓷樣品光伏特性的影響54-58
• 4.5.1 實驗設(shè)計54-56
• 4.5.2 外磁場對YBCO樣品光伏特性的影響56-58
• 4.6 YBCO樣品的光響應(yīng)測量58-62
• 4.6.1 實驗設(shè)計58
• 4.6.2 YBCO/Ag異質(zhì)結(jié)光響應(yīng)測試58-62
• 4.7 本章小結(jié)62-65
• 第五章 鐵基超導(dǎo)材料SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs樣品光伏特性研究65-79
• 5.1 鐵基超導(dǎo)材料SmO_(0.)7F_(0.3)FeAs的光伏特性65-71
• 5.1.1 實驗設(shè)計65-66
• 5.1.2 正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)的SmOFFeAs樣品光伏特性測量66-71
• 5.2 磁場對SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs陶瓷樣品光伏特性的影響71-73
• 5.2.1 實驗設(shè)計71-72
• 5.2.2 無磁場時激光光強對SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs樣品R-T特性的影響72
• 5.2.3 磁場對SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs樣品光伏特性的影響72-73
• 5.3 SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs樣品光響應(yīng)測試73-78
• 5.3.1 實驗設(shè)計73-74
• 5.3.2 SmOFFeAs/Ag異質(zhì)結(jié)光響應(yīng)測試74-78
• 5.4 本章小結(jié)78-79
• 第六章 總結(jié)與展望79-83
• 參考文獻(xiàn)83-93
• 致謝93-95
• 攻讀博士學(xué)位期間主要工作95-98

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