Nova pesquisa explora durabilidade de materiais híbridos 2D
Teste de fadiga baseado em AFM de HOIPs 2D:a) esquema do método de fadiga baseado em AFM usado neste estudo. b) Membrana C4n3 fina de quatro camadas depositada em substrato de óxido de silício com padrão de furo. Inserção:o perfil de altura medido ao longo da linha tracejada amarela mostrando a espessura do floco. Barra de escala:4 μm. c) Dados representativos de fadiga mostrando a deflexão estática e a mudança de deslocamento em função dos ciclos, onde a falha por fadiga da membrana é indicada pelas mudanças bruscas na deflexão cantilever registrada e z -deslocamento piezo. Inserção:imagens topográficas AFM da membrana C4n3 mostrando antes (esquerda) e depois (direita) da falha por fadiga. Barra de escala:400 nm. Crédito:Ciência Avançada (2023). DOI:10.1002/advs.202303133 Uma nova pesquisa revelou a resistência à fadiga de materiais híbridos 2D. Esses materiais, conhecidos por seu baixo custo e alto desempenho, são uma promessa de longa data nos campos de semicondutores. No entanto, a sua durabilidade sob condições de carga cíclica permaneceu um mistério – até agora.
Liderado pelo Dr. Qing Tu, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Texas A&M University, este é o primeiro estudo do comportamento de fadiga no material semicondutor chamado perovskitas orgânicas-inorgânicas híbridas 2D (HOIPs) em aplicações práticas.
Pesquisadores publicaram recentemente suas descobertas na Advanced Science .
Esta nova geração de semicondutores possui grande potencial em quase todos os espectros de aplicações de semicondutores, incluindo energia fotovoltaica, diodos emissores de luz e fotossensores, entre outros. A aplicação de tensões repetidas ou flutuantes abaixo da resistência do material, conhecida como carga de fadiga, geralmente leva à falha em materiais híbridos 2D. No entanto, as propriedades de fadiga destes materiais permanecem indefinidas, apesar do seu uso generalizado em diversas aplicações.
O grupo de pesquisa demonstrou como as condições de carga de fadiga, desgastando diferentes componentes, afetariam a vida útil e o comportamento de falha dos novos materiais. Seus resultados fornecem insights indispensáveis para o projeto e engenharia de HOIPs 2D e outros materiais híbridos orgânicos-inorgânicos para durabilidade mecânica de longo prazo.
"Estamos nos concentrando em uma nova geração de material semicondutor de baixo custo e alto desempenho com características de ligação híbrida. Isso significa que dentro da estrutura cristalina, você tem uma mistura de componentes orgânicos e inorgânicos em nível molecular", disse Tu. "A natureza única da ligação dá origem a propriedades únicas nestes materiais, incluindo propriedades optoeletrônicas e mecânicas."
Os pesquisadores descobriram que os HOIPs 2D podem sobreviver a mais de um bilhão de ciclos, muito mais do que as necessidades de aplicações práticas de engenharia (normalmente da ordem de 10
5
a 10
6
ciclos), que supera a maioria dos polímeros sob condições de carga semelhantes e sugere que os HOIPs 2D são robustos à fadiga. Tu disse que um exame mais aprofundado da morfologia da falha dos materiais revela comportamentos frágeis (semelhantes a outras perovskitas de óxido 3D devido à ligação iônica nos cristais) e dúcteis (semelhantes a materiais orgânicos como polímeros), dependendo das condições de carga.
A componente recorrente das condições de carregamento pode conduzir significativamente à criação e acumulação de defeitos nestes materiais, o que acaba por levar à falha mecânica. A deformação plástica inesperada, sugerida pelo comportamento dúctil, provavelmente impedirá a falha mecânica e será a causa da longa vida útil em fadiga. Este comportamento especial de falha sob tensão cíclica é provavelmente devido à natureza híbrida da ligação orgânico-inorgânica, ao contrário da maioria dos materiais convencionais, que normalmente exibem ligação inorgânica pura ou orgânica pura.
A equipe também investigou como cada componente da tensão e a espessura dos materiais afetam o comportamento à fadiga desses materiais.
“Meu grupo continua trabalhando para entender como os estressores químicos e ambientais, como temperatura, umidade e iluminação, afetam as propriedades mecânicas desta nova família de materiais semicondutores”, disse Tu.
Mais informações: Doyun Kim et al, Unveiling the Fatigue Behavior of 2D Hybrid Organic-Inorganic Perovskites:Insights for Long-Term Durability, Ciência Avançada (2023). DOI:10.1002/advs.202303133 Informações do diário: Ciência Avançada
Fornecido pela Faculdade de Engenharia da Universidade Texas A&M
