新研究探索二维混合材料的耐久性

研究人员研究了二维混合材料的疲劳行为，为其在实际应用中的广泛应用打开了大门。

新研究揭示了二维混合材料的抗疲劳性。这些材料长期以来在半导体领域有着广阔的前景。然而，直到现在，它们在循环负载条件下的耐久性仍然是个谜。

这是由德克萨斯农工大学材料科学与工程系教授涂青博士领导的，这是首次在实际应用中研究二维杂化有机-无机钙钛矿(HOIP)半导体材料的疲劳行为。

研究人员最近在《先进科学》杂志上发表了他们的发现。

新一代半导体在几乎所有半导体应用领域都具有巨大潜力，包括光伏、发光二极管和光电传感器等。施加低于材料强度的重复或波动应力(称为疲劳载荷)通常会导致二维混合材料失效。然而，尽管这些材料广泛应用于各种应用，但其疲劳性能仍然难以捉摸。

研究小组展示了磨损不同部件的疲劳载荷条件将如何影响新材料的寿命和失效行为。他们的研究结果为 2D HOIP 和其他有机-无机杂化材料的设计和工程提供了不可或缺的见解，以实现长期机械耐久性。

“我们专注于具有混合键合功能的新一代低成本、高性能半导体材料。这意味着在晶体结构内，在分子水平上有有机和无机成分的混合物，”屠说。“独特的粘合性质赋予了这些材料独特的性能，包括光电和机械性能。”

研究人员发现，2D HOIP 可以承受超过 10 亿次循环，远长于工程实际应用需求(通常约为 10 5至 10 6循环)，在类似的负载条件下其性能优于大多数聚合物，表明 2D HOIP 具有抗疲劳性。Tu 表示，进一步检查材料的失效形态揭示了脆性(类似于其他 3D 氧化物钙钛矿，由于晶体中的离子键)和延展性(类似于聚合物等有机材料)行为，具体取决于负载条件。

负载条件的反复出现会显着推动这些材料中缺陷的产生和积累，最终导致机械故障。延性行为表明的意外塑性变形可能会阻碍机械故障，并成为疲劳寿命长的原因。循环应力下的这种特殊失效行为可能是由于有机-无机混合键合性质所致，这与大多数传统材料通常表现出纯无机或纯有机键合不同。

该团队还研究了应力的每个组成部分和材料的厚度如何影响这些材料的疲劳行为。

“我的团队一直致力于了解化学和环境压力源(例如温度、湿度和光照)如何影响这种新型半导体材料的机械性能，”Tu 说。

该项目也是由Tu 课题组的德克萨斯 A&M 博士生 Doyun Kim 领导的。其他合作者包括西北大学的 Eugenia Vasileiadou 博士和 Mercouri Kanatzidis 博士;南佛罗里达大学 Ioannis Spanopoulos 博士;以及来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Jinhui Yan 博士和 Xugang Wang 博士。

德克萨斯农工大学的这项工作得到了屠呦呦于 2021 年从机械工程师学会应用力学分部获得的 Haythornthwaite 研究启动奖以及国家科学基金会最近的一笔资助的部分支持。