Ny forskning udforsker holdbarheden af ​​2D hybridmaterialer

Ny forskning har afsløret træthedsbestandigheden af ​​2D hybridmaterialer. Disse materialer, der er kendt for deres lave omkostninger og høje ydeevne, har længe holdt løfte på tværs af halvlederfelter. Men deres holdbarhed under cykliske belastningsforhold forblev et mysterium – indtil nu.

Ledet af Dr. Qing Tu, professor i Institut for Materialevidenskab og Engineering ved Texas A&M University, er dette den første undersøgelse af træthedsadfærd på halvledermaterialet kaldet 2D hybride organisk-uorganiske perovskiter (HOIP'er) i praktiske applikationer.

Forskere har for nylig offentliggjort deres resultater i Advanced Science .

Denne nye generation af halvledere rummer et stort potentiale i næsten hele spektret af halvlederapplikationer, herunder blandt andet fotovoltaik, lysdioder og fotosensorer. Anvendelsen af ​​gentagne eller fluktuerende spændinger under materialets styrke, kendt som træthedsbelastning, fører ofte til fejl i 2D hybridmaterialer. Disse materialers træthedsegenskaber er dog forblevet uhåndgribelige på trods af deres udbredte anvendelse i forskellige applikationer.

Forskergruppen demonstrerede, hvordan træthedsbelastningsforhold, iført forskellige komponenter, ville påvirke levetiden og svigtadfærden af ​​de nye materialer. Deres resultater giver uundværlig indsigt i design og konstruktion af 2D HOIP'er og andre hybride organisk-uorganiske materialer til langsigtet mekanisk holdbarhed.

"Vi fokuserer på en ny generation af lavpris, højtydende halvledermateriale med hybridbindingsfunktioner. Det betyder, at du inden for krystalstrukturen har en blanding af organiske og uorganiske komponenter på molekylært niveau," sagde Tu. "Den unikke bindingsnatur giver anledning til unikke egenskaber i disse materialer, herunder optoelektroniske og mekaniske egenskaber."

Forskere opdagede, at 2D HOIP'er kan overleve over en milliard cyklusser, meget længere end tekniske praktiske anvendelsesbehov (typisk i størrelsesordenen 10 ⁵ til 10 ⁶ cykler), som overgår de fleste polymerer under lignende belastningsforhold og antyder, at 2D HOIP'er er udmattelsesrobuste. Tu sagde, at en yderligere undersøgelse af materialernes svigtmorfologi afslører både sprøde (svarende til andre 3D-oxidperovskitter på grund af den ioniske binding i krystallerne) og duktile (svarende til organiske materialer som polymer) adfærd afhængigt af belastningsforholdene.

Den tilbagevendende komponent af belastningsforholdene kan i væsentlig grad drive skabelsen og akkumuleringen af ​​defekter i disse materialer, hvilket i sidste ende fører til mekanisk fejl. Den uventede plastiske deformation, antydet af den duktile opførsel, vil sandsynligvis hæmme det mekaniske svigt og være årsagen til den lange udmattelseslevetid. Denne særlige svigtadfærd under cyklisk stress skyldes sandsynligvis den hybride organisk-uorganiske bindingsnatur, i modsætning til de fleste konventionelle materialer, som typisk udviser ren uorganisk eller ren organisk binding.

Holdet undersøgte også, hvordan hver komponent af spændingen og materialernes tykkelse påvirker disse materialers træthedsadfærd.

"Min gruppe har fortsat arbejdet på at forstå, hvordan kemi og miljømæssige stressfaktorer, såsom temperatur, fugtighed og lysbelysning, påvirker den mekaniske egenskab for denne nye familie af halvledermaterialer," sagde Tu.

Flere oplysninger: Doyun Kim et al., Afsløring af træthedsadfærden af ​​2D-hybrid organisk-uorganisk perovskites:Indsigt i langtidsholdbarhed, Avanceret videnskab (2023). DOI:10.1002/advs.202303133

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Texas A&M University College of Engineering