高温超导材料YBCO与SmOFFeAs的光伏特性研究

【摘要】：近年来,高温超导材料钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-d、YBCO)以其优越的物理性能在强磁体和电力方面得到广泛应用。自上世纪九十年代至今,世界各国科研人员一直在研究光对高温超导材料电学性能、磁学性能以及超导性能的影响。大量实验证明光对改善高温超导材料YBCO的物性有着不可忽视的作用。2004年日本的Asakura等人用脉冲紫外光(300-400 nm)和连续X射线(355 nm)照射在掺铌的钛酸锶基底材料上生长的YBCO薄膜(YBCO/NSTO),观察到0.8 V的开路电压,揭示了高温超导材料在光伏领域的潜在应用前景。本文研究高温超导薄膜样品和块材样品的光伏特性,研究内容包括以下几个方面:首先对YBCO薄膜与NSTO衬底所构成异质结的光伏特性进行研究。当模拟太阳光照射YBCO/NSTO异质结时,观察到明显的光伏效应:开路电压达1.065 V。为了研究高温超导材料YBCO在YBCO/NSTO异质结光伏效应中的作用,我们在逐渐增加氧分压的条件下对异质结进行退火处理,发现YBCO薄膜氧含量与异质结的光伏效应密切相关:富氧的YBCO薄膜与NSTO构成肖特基结而缺氧的YBCO薄膜与NSTO构成p-n结,两种异质结所产生的光伏效应不同。YBCO/NSTO异质结光伏效应与样品温度有很大关系:随着环境温度的升高,开路电压线性减小,短路电流线性增大。在对YBCO/NSTO异质结进行退火处理时,最好先将退火炉抽为高真空状态,然后通入高纯氧气,这样可以避免在YBCO样品表面引入杂质,出现S型I-V曲线,使器件填充因子减小,影响光电转换效率。其次对YBCO块材与金属电极所构成异质结的光伏特性进行系统研究。激光照射YBCO样品电极(银或银胶电极)附近时,样品的I-V特性曲线发生明显变化。当YBCO处于正常态时,光照样品负极附近,I-V特性曲线偏离原点且随着光强的增加而平行上移,分别与x轴和y轴相交,形成短路电流和开路电压;当光照样品正极时,所观测的现象与光照负极恰恰相反;而当激光光照射YBCO两电极中间位置时,I-V特性不再随着光强的变化而变化,开路电压和短路电流都为零。由实验现象分析可知,即使是在欧姆接触的情况下,在YBCO陶瓷和Ag电极之间的界面处也存在一个电势差。正常态II YBCO与Ag所构成异质结的界面处内建电场方向方向由Ag电极指向YBCO样品。超导态的界面处内建电场方向恰好相反,由超导体指向金属电极。通过研究温度、激光光强、磁场对YBCO/Ag异质结光伏特性的影响,建立了YBCO/Ag异质结光伏效应的物理模型,为进一步深入研究超导-金属界面处的邻近效应提供了新思路和新方法。超导态界面势的发现,对深入研究高温超导材料的超导机理有着十分重要的意义。在对正常态YBCO与Ag电极构成的异质结光伏特性测试过程中我们发现,光强一定时,不同温度下样品的I-V特性曲线相交于一点。当激励电流与该点对应的电流相等时,样品在很大温区内可输出稳定电压,具有零电阻温度系数效应。这种由激光诱导产生的零电阻温度系数对拓展高温超导材料YBCO在光电子领域的新应用有重要意义。最后我们对n型铁基超导材料SmOFFeAs与金属电极构成的异质结的光伏特性进行研究。结果发现,无论在超导态还是在正常态,用激光照射SmOFFeAs电极附近时,均可观察到非常明显的光伏效应。光照正常态SmOFFeAs样品时,开路电压和短路电流的绝对值均随温度的升高而减小;在某一温度下,光伏效应随着光强的增加而增强。进一步的研究发现在超导转变温度附近磁场对SmOFFeAs样品的光伏效应有显著影响。与铜基高温超导材料YBCO光伏特性相对比,相同条件下SmOFFeAs样品的开路电压和短路电流(绝对值)都较YBCO大。因此,通过研究SmOFFeAs样品光生电压的建立过程来研究界面势的形成可大大减小分析误差。在超导态,n型铁基高温超导材料SmOFFeAs和p型铜基高温超导材料YBCO的界面处内建电场方向相同(由超导材料指向金属电极),而在正常态恰好相反。这进一步证明了超导态界面势是由库珀对的扩散引起的,无论这些库珀对是来自哪种超导体。当超导材料处于正常态时,界面势与样品载流子浓度、类型以及电荷迁移率等因素有关,SmOFFeAs和YBCO的与金属Ag电极所构成的异质结界面势相反。目前,有关超导体与正常金属界面的研究共有两个重要发现:一是俄罗斯物理学家阿布里科索夫于1952年提出的负的界面能;二是邻近效应。我们首次从实验上证明超导-金属本征界面势的存在并解决了超导材料中光伏效应的起源问题,为进一步研究邻近效应、探讨高温超导机理提供了新的思路,对高温超导材料的实际应用具有重要意义。 【关键词】：高温超导材料 光伏效应 界面势 超导机制
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM26
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 高温超导材料发展概况11-12
• 1.2 高温超导材料钇钡铜氧的研究12-17
• 1.2.1 Y-Ba-Cu-O体系Y-123相简介12-13
• 1.2.2 光对高温超导材料YBa_2Cu_3O（7-δ）的作用13-17
• 1.3 高温超导材料YBCO的光伏特性17-20
• 1.3.1 光伏效应简介17-18
• 1.3.2 高温超导材料的光伏特性研究18-20
• 1.4 本课题的研究思路和主要内容20-21
• 第二章 样品制备与性能表征21-29
• 2.1 YBa_2Cu_3O（7-δ）样品制备21-23
• 2.1.1 YBa_2Cu_3O（7-δ） 陶瓷样品及靶材的制备21
• 2.1.2 YBa_2Cu_3O（7-δ） 薄膜样品的制备21-23
• 2.2 YBa_2Cu_3O（7-δ）样品性能表征23-29
• 2.2.1 YBa_2Cu_3O（7-δ）样品的结构表征(XRD)23-25
• 2.2.2 YBa_2Cu_3O（7-δ）样品的表面形貌表征(SEM)25-26
• 2.2.3 台阶仪测试YBa_2Cu_3O（7-δ）薄膜样品厚度26
• 2.2.4 YBa_2Cu_3O（7-δ）/Nb：Sr Ti O3异质结光伏特性测试26
• 2.2.5 YBa_2Cu_3O（7-δ）/Nb：Sr Ti O3异质结光伏特性与温度的依存关系测试26-27
• 2.2.6 振动样品磁强计(Versa Lab )测试YBa_2Cu_3O（7-δ）陶瓷样品光伏特性27-29
• 第三章 YBa_2Cu_3O（7-δ）薄膜样品的光伏特性研究29-39
• 3.1 实验设计29-31
• 3.2 YBa_2Cu_3O（7-δ）氧含量对异质结光伏特性的影响31-34
• 3.3 温度对YBCO/NSTO异质结光伏特性的影响34-36
• 3.4 YBCO/NSTO异质结光伏特性曲线S型弯曲36-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第四章 YBa_2Cu_3O_6.9陶瓷样品光伏特性研究39-65
• 4.1 YBCO陶瓷样品的光伏特性39-44
• 4.1.1 实验设计39
• 4.1.2 正常态与超导态的YBCO样品光伏特性测量39-44
• 4.2 YBCO超导转变温度附近的光伏特性研究44-46
• 4.3 温度对YBCO陶瓷样品光伏特性影响46-49
• 4.4 YBCO/Ag异质结的零电阻温度系数49-54
• 4.4.1 零电阻温度系数效应49-50
• 4.4.2 YBCO/Ag异质结的零电阻温度系数50-54
• 4.4.3 YBCO/Ag异质结零电阻应用思路简介54
• 4.5 磁场对YBCO陶瓷样品光伏特性的影响54-58
• 4.5.1 实验设计54-56
• 4.5.2 外磁场对YBCO样品光伏特性的影响56-58
• 4.6 YBCO样品的光响应测量58-62
• 4.6.1 实验设计58
• 4.6.2 YBCO/Ag异质结光响应测试58-62
• 4.7 本章小结62-65
• 第五章 铁基超导材料SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs样品光伏特性研究65-79
• 5.1 铁基超导材料SmO_(0.)7F_(0.3)FeAs的光伏特性65-71
• 5.1.1 实验设计65-66
• 5.1.2 正常态与超导态的SmOFFeAs样品光伏特性测量66-71
• 5.2 磁场对SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs陶瓷样品光伏特性的影响71-73
• 5.2.1 实验设计71-72
• 5.2.2 无磁场时激光光强对SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs样品R-T特性的影响72
• 5.2.3 磁场对SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs样品光伏特性的影响72-73
• 5.3 SmO_(0.7)F_(0.3)FeAs样品光响应测试73-78
• 5.3.1 实验设计73-74
• 5.3.2 SmOFFeAs/Ag异质结光响应测试74-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 总结与展望79-83
• 参考文献83-93
• 致谢93-95
• 攻读博士学位期间主要工作95-98

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