De nouvelles recherches ont dévoilé la résistance à la fatigue des matériaux hybrides 2D. Ces matériaux, connus pour leur faible coût et leurs performances élevées, sont prometteurs depuis longtemps dans le domaine des semi-conducteurs. Cependant, leur durabilité dans des conditions de chargement cyclique est restée un mystère jusqu'à présent.
Dirigée par le Dr Qing Tu, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux de la Texas A&M University, il s'agit de la première étude du comportement en fatigue d'un matériau semi-conducteur appelé pérovskites hybrides organiques-inorganiques (HOIP) 2D dans des applications pratiques.
Des chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans Advanced Science. .
Cette nouvelle génération de semi-conducteurs recèle un grand potentiel dans presque tout le spectre des applications des semi-conducteurs, notamment le photovoltaïque, les diodes électroluminescentes et les photocapteurs, entre autres. L'application de contraintes répétées ou fluctuantes inférieures à la résistance du matériau, appelées charges de fatigue, entraîne souvent une défaillance des matériaux hybrides 2D. Cependant, les propriétés de fatigue de ces matériaux sont restées insaisissables malgré leur utilisation répandue dans diverses applications.
Le groupe de recherche a démontré comment les conditions de charge de fatigue, liées à l'usure de différents composants, affecteraient la durée de vie et le comportement à la rupture des nouveaux matériaux. Leurs résultats fournissent des informations indispensables sur la conception et l'ingénierie de HOIP 2D et d'autres matériaux hybrides organiques-inorganiques pour une durabilité mécanique à long terme.
"Nous nous concentrons sur une nouvelle génération de matériaux semi-conducteurs à faible coût et hautes performances dotés de caractéristiques de liaison hybride. Cela signifie que dans la structure cristalline, vous avez un mélange de composants organiques et inorganiques au niveau moléculaire", a déclaré Tu. "La nature unique de la liaison donne naissance à des propriétés uniques dans ces matériaux, notamment des propriétés optoélectroniques et mécaniques."
Les chercheurs ont découvert que les HOIP 2D peuvent survivre à plus d'un milliard de cycles, bien plus longtemps que ne le nécessitent les applications pratiques d'ingénierie (généralement de l'ordre de 10 5 ). à 10 6 cycles), qui surpasse la plupart des polymères dans des conditions de charge similaires et suggère que les HOIP 2D sont robustes à la fatigue. Tu a déclaré qu'un examen plus approfondi de la morphologie de rupture des matériaux révèle des comportements à la fois fragiles (similaires à d'autres pérovskites d'oxyde 3D en raison de la liaison ionique dans les cristaux) et ductiles (similaires aux matériaux organiques comme les polymères) en fonction des conditions de charge.
La composante récurrente des conditions de chargement peut entraîner de manière significative la création et l’accumulation de défauts dans ces matériaux, ce qui conduit finalement à une défaillance mécanique. La déformation plastique inattendue, suggérée par le comportement ductile, est susceptible d'empêcher la défaillance mécanique et d'être la cause d'une longue durée de vie en fatigue. Ce comportement particulier en cas de rupture sous contrainte cyclique est probablement dû à la nature de la liaison hybride organique-inorganique, contrairement à la plupart des matériaux conventionnels, qui présentent généralement une liaison inorganique pure ou organique pure.
L'équipe a également étudié comment chaque composante de contrainte et l'épaisseur des matériaux affectent le comportement à la fatigue de ces matériaux.
"Mon groupe a continué à travailler pour comprendre comment les facteurs de stress chimiques et environnementaux, tels que la température, l'humidité et l'éclairage, affectent les propriétés mécaniques de cette nouvelle famille de matériaux semi-conducteurs", a déclaré Tu.
Plus d'informations : Doyun Kim et al, Dévoilement du comportement en fatigue des pérovskites hybrides organiques-inorganiques 2D :aperçus pour la durabilité à long terme, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202303133
Informations sur le journal : Science avancée
Fourni par le Texas A&M University College of Engineering
