Ny forskning har avslöjat utmattningsbeständigheten hos 2D-hybridmaterial. Dessa material, kända för sina låga kostnader och höga prestanda, har länge lovat inom halvledarfält. Men deras hållbarhet under cykliska belastningsförhållanden förblev ett mysterium – fram till nu.
Leds av Dr. Qing Tu, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Texas A&M University, är detta den första studien av utmattningsbeteende på halvledarmaterialet som kallas 2D hybrid organiska-oorganiska perovskiter (HOIPs) i praktiska tillämpningar.
Forskare publicerade nyligen sina resultat i Advanced Science .
Denna nya generation av halvledare har stor potential i nästan hela spektrat av halvledarapplikationer, inklusive solceller, lysdioder och fotosensorer, bland annat. Appliceringen av upprepade eller fluktuerande spänningar under materialets hållfasthet, känd som utmattningsbelastning, leder ofta till fel i 2D-hybridmaterial. Emellertid har utmattningsegenskaperna hos dessa material förblivit svårfångade trots deras utbredda användning i olika applikationer.
Forskargruppen visade hur utmattningsbelastningsförhållanden, slitage på olika komponenter, skulle påverka livslängden och brottbeteendet för de nya materialen. Deras resultat ger oumbärliga insikter i att designa och konstruera 2D HOIPs och andra hybrida organiskt-oorganiska material för långvarig mekanisk hållbarhet.
"Vi fokuserar på en ny generation av lågkostnads, högpresterande halvledarmaterial med hybridbindningsfunktioner. Det betyder att inom kristallstrukturen har du en blandning av organiska och oorganiska komponenter på molekylär nivå," sa Tu. "Den unika bindningsnaturen ger upphov till unika egenskaper i dessa material, inklusive optoelektroniska och mekaniska egenskaper."
Forskare upptäckte att 2D HOIPs kan överleva över en miljard cykler, mycket längre än tekniska praktiska tillämpningsbehov (vanligtvis i storleksordningen 10 5 till 10 6 cykler), som överträffar de flesta polymerer under liknande belastningsförhållanden och antyder att 2D HOIPs är utmattningståliga. Tu sade att ytterligare undersökning av materialens misslyckandemorfologi avslöjar både spröda (liknar andra 3D-oxidperovskiter på grund av jonbindningen i kristallerna) och duktila (liknande organiska material som polymer) beteende beroende på belastningsförhållandena.
Den återkommande komponenten av belastningsförhållandena kan avsevärt driva uppkomsten och ansamlingen av defekter i dessa material, vilket i slutändan leder till mekaniska fel. Den oväntade plastiska deformationen, som föreslås av det duktila beteendet, kommer sannolikt att hindra det mekaniska felet och vara orsaken till den långa utmattningslivslängden. Detta speciella brottbeteende under cyklisk stress beror förmodligen på den hybrida organisk-oorganiska bindningsnaturen, till skillnad från de flesta konventionella material, som vanligtvis uppvisar ren oorganisk eller ren organisk bindning.
Teamet undersökte också hur varje komponent i spänningen och materialens tjocklek påverkar utmattningsbeteendet hos dessa material.
"Min grupp har fortsatt att arbeta med att förstå hur kemi och miljöpåfrestningar, såsom temperatur, luftfuktighet och ljusbelysning, påverkar de mekaniska egenskaperna för denna nya familj av halvledarmaterial," sa Tu.
Mer information: Doyun Kim et al, Unveiling the Fatigue Behavior of 2D Hybrid Organic–Oorganic Perovskites:Insights for Long-Term Durability, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202303133
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Texas A&M University College of Engineering
