Una nueva investigación ha revelado la resistencia a la fatiga de los materiales híbridos 2D. Estos materiales, conocidos por su bajo costo y alto rendimiento, son prometedores desde hace mucho tiempo en los campos de los semiconductores. Sin embargo, su durabilidad bajo condiciones de carga cíclica seguía siendo un misterio... hasta ahora.
Dirigido por el Dr. Qing Tu, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Texas A&M, este es el primer estudio del comportamiento de fatiga en el material semiconductor llamado perovskitas orgánicas-inorgánicas híbridas 2D (HOIP) en aplicaciones prácticas.
Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en Advanced Science. .
Esta nueva generación de semiconductores tiene un gran potencial en casi todo el espectro de aplicaciones de semiconductores, incluidos los fotovoltaicos, los diodos emisores de luz y los fotosensores, entre otros. La aplicación de tensiones repetidas o fluctuantes por debajo de la resistencia del material, conocida como carga de fatiga, a menudo conduce a fallas en los materiales híbridos 2D. Sin embargo, las propiedades de fatiga de estos materiales siguen siendo difíciles de alcanzar a pesar de su uso generalizado en diversas aplicaciones.
El grupo de investigación demostró cómo las condiciones de carga de fatiga y el uso de diferentes componentes afectarían a la vida útil y al comportamiento ante fallos de los nuevos materiales. Sus resultados proporcionan información indispensable para el diseño y la ingeniería de HOIP 2D y otros materiales híbridos orgánicos-inorgánicos para una durabilidad mecánica a largo plazo.
"Nos estamos centrando en una nueva generación de material semiconductor de bajo coste y alto rendimiento con características de enlace híbrido. Eso significa que dentro de la estructura cristalina hay una mezcla de componentes orgánicos e inorgánicos a nivel molecular", dijo Tu. "La naturaleza única del enlace da lugar a propiedades únicas en estos materiales, incluidas propiedades optoelectrónicas y mecánicas".
Los investigadores descubrieron que los HOIP 2D pueden sobrevivir más de mil millones de ciclos, mucho más tiempo que las necesidades de aplicaciones prácticas de ingeniería (normalmente del orden de 10 5 a 10 6 ciclos), que supera a la mayoría de los polímeros en condiciones de carga similares y sugiere que los HOIP 2D son resistentes a la fatiga. Tu dijo que un examen más detallado de la morfología de falla de los materiales revela comportamientos tanto frágiles (similares a otras perovskitas de óxido 3D debido al enlace iónico en los cristales) como dúctiles (similares a materiales orgánicos como los polímeros) dependiendo de las condiciones de carga.
El componente recurrente de las condiciones de carga puede impulsar significativamente la creación y acumulación de defectos en estos materiales, lo que en última instancia conduce a fallas mecánicas. Es probable que la deformación plástica inesperada, sugerida por el comportamiento dúctil, impida la falla mecánica y sea la causa de la larga vida útil a la fatiga. Este comportamiento especial de falla bajo estrés cíclico probablemente se deba a la naturaleza híbrida del enlace orgánico-inorgánico, a diferencia de la mayoría de los materiales convencionales, que típicamente exhiben enlaces puros inorgánicos u orgánicos puros.
El equipo también investigó cómo cada componente de la tensión y el espesor de los materiales afectan el comportamiento de fatiga de estos materiales.
"Mi grupo ha seguido trabajando para comprender cómo la química y los factores estresantes ambientales, como la temperatura, la humedad y la iluminación, afectan las propiedades mecánicas de esta nueva familia de materiales semiconductores", dijo Tu.
Más información: Doyun Kim et al, Revelando el comportamiento de fatiga de las perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas 2D:conocimientos para la durabilidad a largo plazo, Ciencia avanzada (2023). DOI:10.1002/advs.202303133
Información de la revista: Ciencia avanzada
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería de la Universidad Texas A&M
