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Os pesquisadores investigaram o comportamento de fadiga de materiais híbridos 2D, abrindo portas para seu uso generalizado em aplicações do mundo real.
Novas pesquisas revelaram a resistência à fadiga de materiais híbridos 2D. Esses materiais são uma promessa de longa data nos campos de semicondutores. No entanto, 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 2D híbrido orgânico-inorgânico perovskitas (HOIPs) em aplicações práticas.
Pesquisadores publicaram recentemente suas descobertas em Ciências Avançadas.
Esta nova geração de semicondutores possui grande potencial em quase todos os espectros de aplicações de semicondutores, incluindo fotovoltaicos, 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 desses materiais permaneceram indefinidas, apesar de seu uso generalizado em várias 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 informações indispensáveis para projetar e projetar 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 recursos 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 nesses 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 aplicação prática de engenharia (normalmente na ordem de 105 para 106 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 examinar ainda mais a morfologia de falha dos materiais revela comportamentos tanto frágeis (semelhantes a outras perovskitas de óxido 3D devido à ligação iônica nos cristais) quanto dúcteis (semelhantes a materiais orgânicos como polímeros), dependendo das condições de carregamento.
O componente recorrente das condições de carga pode levar significativamente à criação e acúmulo de defeitos nesses materiais, o que acaba levando à falha mecânica. A inesperada deformação plástica, sugerida pelo comportamento dúctil, provavelmente impedirá a falha mecânica e será a causa do longo tempo de vida à fadiga. Este comportamento de falha especial sob tensão cíclica é provavelmente devido à natureza da ligação orgânica-inorgânica híbrida, ao contrário da maioria dos materiais convencionais, que normalmente exibem ligação inorgânica pura ou orgânica pura.
A equipe também investigou como cada componente do estresse e a espessura dos materiais afetam o comportamento à fadiga desses materiais.
“Meu grupo continua trabalhando para entender como a química e os estressores ambientais, como temperatura, umidade e iluminação, afetam a propriedade mecânica dessa nova família de material semicondutor”, disse Tu.
Este projeto também foi liderado pelo estudante de doutorado da Texas A&M, Doyun Kim, um aluno do grupo de pesquisa de Tu. Outros colaboradores incluem a Dra. Eugenia Vasileiadou e a Dra. Mercouri Kanatzidis da Northwestern University; Dr. Ioannis Spanopoulos da Universidade do Sul da Flórida; e Dr. Jinhui Yan e Dr. Xugang Wang da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
O trabalho na Texas A&M é parcialmente apoiado pelo Haythornthwaite Research Initiation Award que Tu recebeu em 2021 da American Society of Mechanical Engineers – Applied Mechanics Division e por uma recente concessão da National Science Foundation.
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