Nieuw onderzoek heeft de vermoeidheidsweerstand van 2D-hybride materialen onthuld. Deze materialen, bekend om hun lage kosten en hoge prestaties, zijn al lang veelbelovend in de halfgeleidervelden. Hun duurzaamheid onder cyclische belastingsomstandigheden bleef echter tot nu toe 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 naar het vermoeidheidsgedrag van het halfgeleidermateriaal genaamd 2D hybride organisch-anorganische perovskieten (HOIPs) in praktische toepassingen.

Onderzoekers publiceerden onlangs hun bevindingen in Advanced Science .

Deze nieuwe generatie halfgeleiders heeft een groot potentieel in vrijwel het hele spectrum van halfgeleidertoepassingen, waaronder onder meer fotovoltaïsche zonne-energie, lichtgevende diodes en fotosensoren. Het uitoefenen 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 demonstreerde hoe vermoeiingsbelastingsomstandigheden, waarbij verschillende componenten werden gedragen, de levensduur en het faalgedrag van de nieuwe materialen zouden beïnvloeden. Hun resultaten bieden onmisbare inzichten in het ontwerpen en ontwikkelen van 2D HOIP's en andere hybride organisch-anorganische materialen voor mechanische duurzaamheid op de lange termijn.

"We concentreren ons op een nieuwe generatie goedkoop, krachtig halfgeleidermateriaal met hybride bindingseigenschappen. Dat betekent dat je binnen de kristalstructuur een mengsel van organische en anorganische componenten op moleculair niveau hebt", zei Tu. "De unieke aard van de binding leidt 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 (doorgaans in de orde van 10 ⁵ tot 10 ⁶ cycli), dat beter presteert dan de meeste polymeren onder vergelijkbare belastingsomstandigheden en suggereert dat 2D-HOIP's robuust zijn tegen vermoeidheid. Tu zei dat verder onderzoek naar 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 beladingsomstandigheden kan het ontstaan ​​en de accumulatie van defecten in deze materialen aanzienlijk veroorzaken, wat uiteindelijk tot mechanisch falen leidt. De onverwachte plastische vervorming, gesuggereerd door het ductiele gedrag, zal waarschijnlijk het mechanisch falen belemmeren en de oorzaak zijn van de lange levensduur van vermoeiing. Dit speciale faalgedrag onder cyclische spanning is waarschijnlijk te wijten aan de hybride organisch-anorganische bindingsaard, in tegenstelling tot de meeste conventionele materialen, die doorgaans pure anorganische of puur organische binding vertonen.

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

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

Meer informatie: Doyun Kim et al., Onthulling van het vermoeidheidsgedrag van 2D-hybride organisch-anorganische perovskieten:inzichten voor duurzaamheid op lange termijn, Geavanceerde wetenschap (2023). DOI:10.1002/advs.202303133

Journaalinformatie: Geavanceerde wetenschap

Aangeboden door Texas A&M University College of Engineering