Nieuw onderzoek onderzoekt de duurzaamheid van 2D hybride materialen

Nieuw onderzoek heeft de vermoeiingsweerstand van 2D hybride materialen onthuld. Deze materialen, bekend om hun lage kosten en hoge prestaties, hebben een lang gekoesterde belofte op het gebied van halfgeleiders. Hun duurzaamheid onder cyclische belastingsomstandigheden bleef tot nu toe echter een mysterie.

Onder leiding van Dr. Qing Tu, professor aan de afdeling Materials Science and Engineering aan de Texas A&M University, is dit de eerste studie van vermoeiingsgedrag op het halfgeleidermateriaal genaamd 2D hybride organisch-anorganische perovskieten (HOIP’s) in praktische toepassingen.

Onderzoekers publiceerden hun bevindingen onlangs in Geavanceerde wetenschap.

Deze nieuwe generatie halfgeleiders heeft een groot potentieel in bijna alle spectra van halfgeleidertoepassingen, waaronder fotovoltaïsche cellen, lichtgevende diodes en fotosensoren. De toepassing van herhaalde of fluctuerende spanningen onder de sterkte van het materiaal, bekend als vermoeiingsbelasting, leidt vaak tot falen in 2D hybride materialen. De vermoeiingseigenschappen van deze materialen zijn echter ongrijpbaar gebleven ondanks hun wijdverbreide gebruik in verschillende toepassingen.

De onderzoeksgroep toonde aan hoe vermoeiingsbelasting, het dragen van verschillende componenten, de levensduur en het faalgedrag van de nieuwe materialen zou beïnvloeden. Hun resultaten bieden onmisbare inzichten in het ontwerpen en engineeren van 2D HOIP’s en andere hybride organisch-anorganische materialen voor mechanische duurzaamheid op de lange termijn.

“We richten ons op een nieuwe generatie goedkoop, hoogwaardig halfgeleidermateriaal met hybride bindingskenmerken. Dat betekent dat je binnen de kristalstructuur een mix van organische en anorganische componenten op moleculair niveau hebt”, zei Tu. “De unieke bindingsaard geeft aanleiding tot unieke eigenschappen in deze materialen, waaronder opto-elektronische en mechanische eigenschappen.”

Onderzoekers ontdekten dat 2D HOIP’s meer dan een miljard cycli kunnen overleven, veel langer dan de technische praktische toepassingsbehoeften (meestal in de orde van 10⁵ tot 10⁶ cycli), die beter presteert dan de meeste polymeren onder vergelijkbare belastingsomstandigheden en suggereert dat 2D HOIP’s robuust zijn tegen vermoeiing. Tu zei dat verder onderzoek van de faalmorfologie van de materialen zowel bros (vergelijkbaar met andere 3D-oxide perovskieten vanwege de ionische binding in de kristallen) als ductiel (vergelijkbaar met organische materialen zoals polymeer) gedrag onthult, afhankelijk van de belastingsomstandigheden.

De terugkerende component van de belastingsomstandigheden kan het ontstaan ​​en de accumulatie van defecten in deze materialen aanzienlijk stimuleren, wat uiteindelijk leidt tot mechanisch falen. De onverwachte plastische vervorming, gesuggereerd door het ductiele gedrag, zal waarschijnlijk het mechanisch falen belemmeren en de oorzaak zijn van de lange levensduur van de vermoeiing. Dit speciale bezwijkgedrag onder cyclische belasting is waarschijnlijk te wijten aan de hybride organisch-anorganische bindingsaard, in tegenstelling tot de meeste conventionele materialen, die typisch een zuivere anorganische of zuiver organische binding vertonen.

Het team onderzocht ook hoe elke component van de spanning en de materiaaldikte het vermoeiingsgedrag van deze materialen beïnvloeden.

“Mijn groep is blijven werken aan het begrijpen hoe de chemie en omgevingsstressoren, zoals temperatuur, vochtigheid en lichtverlichting, de mechanische eigenschappen van deze nieuwe familie van halfgeleidermateriaal beïnvloeden, ” zei Tu.