Una nuova ricerca ha svelato la resistenza alla fatica dei materiali ibridi 2D. Questi materiali, noti per il loro basso costo e le elevate prestazioni, sono una promessa di lunga data nei campi dei semiconduttori. Tuttavia, la loro durabilità in condizioni di carico ciclico è rimasta un mistero, fino ad ora.
Guidato dal dottor Qing Tu, professore presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso la Texas A&M University, questo è il primo studio sul comportamento a fatica del materiale semiconduttore chiamato perovskiti organiche-inorganiche ibride 2D (HOIP) in applicazioni pratiche.
I ricercatori hanno recentemente pubblicato le loro scoperte su Advanced Science .
Questa nuova generazione di semiconduttori ha un grande potenziale in quasi tutti gli spettri delle applicazioni dei semiconduttori, tra cui il fotovoltaico, i diodi emettitori di luce e i fotosensori, tra gli altri. L'applicazione di sollecitazioni ripetute o fluttuanti al di sotto della resistenza del materiale, nota come carico di fatica, spesso porta al cedimento dei materiali ibridi 2D. Tuttavia, le proprietà di fatica di questi materiali sono rimaste sfuggenti nonostante il loro uso diffuso in varie applicazioni.
Il gruppo di ricerca ha dimostrato come le condizioni di carico di fatica, indossando componenti diversi, influenzerebbero la durata e il comportamento in caso di cedimento dei nuovi materiali. I loro risultati forniscono informazioni indispensabili sulla progettazione e ingegnerizzazione di HOIP 2D e altri materiali ibridi organico-inorganici per una durabilità meccanica a lungo termine.
"Ci stiamo concentrando su una nuova generazione di materiale semiconduttore a basso costo e ad alte prestazioni con caratteristiche di legame ibrido. Ciò significa che all'interno della struttura cristallina si ha una miscela di componenti organici e inorganici a livello molecolare", ha affermato Tu. "La natura unica del legame dà origine a proprietà uniche in questi materiali, comprese proprietà optoelettroniche e meccaniche."
I ricercatori hanno scoperto che gli HOIP 2D possono sopravvivere per oltre un miliardo di cicli, molto più a lungo di quanto richiesto dalle applicazioni pratiche di ingegneria (in genere nell'ordine di 10 5 alle 10 6 cicli), che supera la maggior parte dei polimeri in condizioni di carico simili e suggerisce che gli HOIP 2D sono resistenti alla fatica. Tu ha detto che un ulteriore esame della morfologia di rottura dei materiali rivela comportamenti sia fragili (simili ad altre perovskiti di ossido 3D a causa del legame ionico nei cristalli) che duttili (simili ai materiali organici come i polimeri) a seconda delle condizioni di carico.
La componente ricorrente delle condizioni di carico può favorire in modo significativo la creazione e l’accumulo di difetti in questi materiali, che alla fine portano al guasto meccanico. L'inaspettata deformazione plastica, suggerita dal comportamento duttile, è probabile che impedisca il cedimento meccanico e sia la causa della lunga vita a fatica. Questo speciale comportamento di rottura sotto stress ciclico è probabilmente dovuto alla natura ibrida del legame organico-inorganico, a differenza della maggior parte dei materiali convenzionali, che tipicamente presentano legami inorganici puri o organici puri.
Il team ha inoltre studiato il modo in cui ciascun componente della sollecitazione e lo spessore dei materiali influiscono sul comportamento a fatica di questi materiali.
"Il mio gruppo ha continuato a lavorare per comprendere come la chimica e i fattori di stress ambientale, come la temperatura, l'umidità e l'illuminazione, influenzano le proprietà meccaniche di questa nuova famiglia di materiali semiconduttori", ha affermato Tu.
Ulteriori informazioni: Doyun Kim et al, Svelare il comportamento alla fatica delle perovskiti ibride organiche-inorganiche 2D:approfondimenti sulla durabilità a lungo termine, Scienza avanzata (2023). DOI:10.1002/advs.202303133
Informazioni sul giornale: Scienza avanzata
Fornito dal Texas A&M University College of Engineering
