研究人员如何提高稳定性的二维材料?欧洲杯足球竞彩

AZoM清涂博士与他的研究到理解二维混合有机-无机材料的耐久性。欧洲杯足球竞彩这种发展有深远的实际应用在柔性电子元件和光电在不久的将来。

请您能把自己介绍给我们的读者和在材料科学告诉我们关于你的背景吗?欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

我叫清涂,我在材料科学工程系助理教授在德州农工大学。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球杜克大学以前,我完成了我的博士学位,在机械工程和材料科学部门。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球在完成我的博士学位。我是一个西北大学的博士后研究员,在材料科学与工程部门。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球我的主要重点是试图理解先进功能材料的表面和界面性质对能源和电子应用程序和试图利用新的理解工程师的表面和界面改进的性能。欧洲杯足球竞彩

二维混合材料是什么,他们最相关的是什么欧洲杯足球竞彩领域的?

我们称之为二维混合有机-无机钙钛矿,这是指一个家庭solution-processed,二维半导体材料与有机和无机粘结在分子水平上。欧洲杯足球竞彩这些材料都是欧洲杯足球竞彩来自他们的3 d父水晶,三维混合有机-无机钙钛矿。最初,这些材料引起了人们的注意,因欧洲杯足球竞彩为他们有巨大的潜力在太阳能电池等光电应用程序使用。国家可再生能源实验室的图表显示,在美国这些混合的太阳能电池有机-无机钙钛矿提供极其高效的性能。一段时间之后,发现这些材料都是很好的半导体材料生产成本很低,因为可伸缩解决方案的处理方法,欧洲杯足球竞彩以及他们的光学和电子性质体现高容忍缺陷。

什么是高公差混合有机-无机材料的意义展示缺陷?

这意味着即使你可以产生很多缺陷的解决方案,性能仍然是可接受的范围广泛的应用程序。这个特性引发重大兴趣这些属性的基本原理。为什么他们展示这些独特的属性,我们可以使用2 d混合动力车为其他应用程序吗?

由于二维混合材料是半导体,确实大大扩展了应用领域。例如,它可以用于发光二极管,灵活的电子产品,辐射检测,内存晶体管;半导体的应用程序的整个频谱。

你会说这是潜在的广泛应用使用导致你学习2 d混合有机-无机材料?欧洲杯足球竞彩

是的,我第一次意识到这个领域在2015年当我还是一个研究生。我发现有越来越多的人谈论钙钛矿,然后我开始把我的注意力。我的博士在二维材料,特别是石墨烯及其欧洲杯足球竞彩表面和界面性质。接近尾声时,我开始考虑如果和我们如何工程师函数属性2 d钙钛矿的化学成分。我们开始与化学家,发现有机协作组件可以定制这些2 d的晶体对称结构晶体,使他们中的一些人成为压电,进一步扩大其应用领域。当我搬到西北,我开始看起来更进这个家庭的材料的组织性能之间的关系,特别是在不同的化学和不同的组件如何影响他们的机械行为。欧洲杯足球竞彩

如何你的研究不同于先前的研究主题?

不同于主流研究二维混合有机-无机钙钛矿,人们主要关注这些材料的光电子行为,我倾向于更多地关注这些材料的力学行为。欧洲杯足球竞彩我认为,这是好的动机调查任何实际应用,因为普遍存在的机械应变和机械应变的关键影响这些材料和设备的可靠性和性能。欧洲杯足球竞彩

图片来源:马可- / Shutterstock.com

最近,我们一直在研究疲劳行为。欧洲杯足球竞彩材料机械强度。当机械应力达到材料的强度,材料会断裂。然而,在现实中,加载条件下,材料的经验在设备应用程序通常是亚临界。这意味着应力场是少,低于临界强度。这加载也可以循环。在很长一段时间,这个循环亚临界机械应力仍然可以驱动材料的机械故障。欧洲杯足球竞彩理解这一点的一种方法是如果你把金属线。当你试图把金属线,通常是很难打破它,我们不能这样做。然而,如果弯曲它很多次,来来回回,虽然每次你不打破它,最终将打破。 That's called a fatigue behavior or a fatigue phenomenon.

在这项研究中,我们研究如何不同的化学和结构材料其属性的影响。我们称它为这些材料的准静态力学性质。欧洲杯足球竞彩但这些材料的疲劳行为仍是未知的。欧洲杯足球竞彩然而对于实际应用来说,你有这些材料遭受这亚临界振荡压力来自各种来源如温度波动,柔性电子变形,并从压电欧洲杯足球竞彩有时也,或者从机电耦合行为因材料本身。

很多人意识到这是一个关键问题。他们研究了如何将这些perovskite-based太阳能电池,或灵活的电子产品,会失败在多个周期的弯曲。通常人们监控效率作为弯曲周期的函数在不同程度的弯曲半径,但在所有这些研究中,应力或应变不定量;而是一个定性指标相对于你弯曲半径。此外,由于其他设备的复杂性,很多因素能导致在这些研究中观察到的疲劳失效。

电极可以是失败的,失败的界面,或者失败的其他接口材料,如电荷传输材料或其他组件内的设备。欧洲杯足球竞彩因此这些先前的研究几乎不能提供量化的基本见解的疲劳行为2 d钙钛矿。这就是为什么我们想关注的根本属性2 d钙钛矿自己和了解这个亚临界循环荷载将导致材料的失败和失败行为将会是什么样子。

另一方面,先前的研究考虑二维材料的疲劳破坏喜欢纯无机2 d材料如石墨烯、二硫化钼、和氮化硼,但这是第一次2 d材料与混合特性的有机和无机混合组件在晶欧洲杯足球竞彩体结构的主要焦点。

在你的研究,你看着这些2 d无机钙钛矿可存活超过10亿周期。的含义是什么,在这些真实世界的应用程序?

我认为这是一个好消息对于那些想在真实的应用程序中使用钙钛矿,因为至少从根本上讲,我们展示材料本身可以生存周期长。在典型的工程应用中,我们谈论的是一个疲劳寿命,10-to-the-five或10-to-the-six周期,这个你可以生存10亿典型装置操作条件下周期。

当然,也有一些条件你还必须考虑。例如,您无法负荷过高,但当受到类似的条件下,混合钙钛矿比典型的聚合物,特别是广泛用作柔性电子元件基板。

怎么可能,这些材料是如此长久?欧洲杯足球竞彩

这是新事物给我们当我们开始因为3 d父母的这些2 d混合钙钛矿晶体脆性。这不是预期这些2 d混合钙钛矿将生存这样一个巨大的数量的研究周期。当我们第一次看到这个结果,我们很兴奋。

我们认为这可能是由于一些意想不到的塑性变形机制在这个二维形式的混合有机-无机钙钛矿,因为基于失效行为,我们注意到当你有相对温和的加载条件下,材料的可塑性往往会失败。

这意味着产生的损害将包含,避免任何灾难性裂纹传播的所有材料。这个特性提供了一种机制的约束损害当地材料,从而延长材料的寿命,这是一个3 d钙钛矿形成鲜明对比(3 d)是一个离子,易碎的水晶。一旦你有了一个失败的3 d母质,裂纹会传播的。

是什么让2 d混合动力车如此适合灵活的电子产品,是一个应用领域,你可以成长为更大的吗?

有大量的精力投入追求适合应用在柔性电子元件。首先,这是因为它的解决方案适合加工的,所以它是可伸缩的和高度兼容的许多可伸缩的工业处理方法。其次,它是低成本,与此同时,的性能仍然很好,因为高缺陷容忍这些材料的光电子和半导体性质。欧洲杯足球竞彩

图片来源:Niethammer Zoltan / Shutterstock.com

此外,重量相对较低,相比传统有机半导体,总体性能和半导体特性更好,因为我们仍然有这样的无机成分,但与此同时,它仍然是灵活。在一个早期作品出版于2018年,我们证明了他们可以维持大约5%到8%的应变在失败之前,这已经超出了许多聚合物基质的弹性极限用于柔性电子元件,如聚酰亚胺。这是支持的应用这些材料用于柔性电子元件,至少从机械的角度来看。欧洲杯足球竞彩

你说这些材料是低成本和可伸缩的。欧洲杯足球竞彩有任何商业步骤已经到位了吗?

现在,我认为接下来的步骤是克服限制因素阻止材料被完全商业化,主要材料的稳定性。欧洲杯足球竞彩首先,化学不稳定性:3 d混合有机钙钛矿问题在周围环境中氧气、水分,和紫外线,结合,攻击结构。

当你去二维材料,包含的化学稳定性大大提高,因欧洲杯足球竞彩为疏水有机配体的结构。但是,它没有,完全达到25年寿命服务条件,但至少它是更好的。

其他的不稳定问题,机械不稳定或瓶颈,因为这些材料做容易骨折。欧洲杯足球竞彩他们受到很多压力来源在制造和操作,然后压力可以引发很多问题,例如,离子迁移,相变,骨折,分层,等等,这是我们关注的焦点。我们试图解决这些问题,以确保新的处理技术和设备制造一种改进设计,材料在他们的服务可以生存这样的机械负荷条件以达到所需的一生在现实世界的应用程序。

你如何想象克服挥之不去的问题相关的化学和机械不稳定?

已经有化学家研究的化学不稳定和努力改善这些材料的性能和热力学稳定性。欧洲杯足球竞彩他们想出一个更好的配体的化学设计拉长一生结合标准工业封装技术。另一方面,新见解正在开发实现指导材料设计来达到更好的机械鲁棒性。欧洲杯足球竞彩从工程的角度,新设备的架构可以提出缓解压力的材料将在应用程序来减轻他们的经验对应变的失败。欧洲杯足球竞彩

你会亲自参与研究克服这些限制或瓶颈?

是的,我将参与解决这些材料在特定的机械不稳定。欧洲杯足球竞彩我们将首先研究这些材料的内在力学性能以单晶形式和检查如果内在属性可以满足应用的需要。欧洲杯足球竞彩我们将进一步扩展研究多晶形式,因为当前的标准应用程序和集成这些材料的大型设备产品依赖于多晶薄膜,将不同于单晶形式。欧洲杯足球竞彩研究单晶形式将从多晶形式相比,以揭示缺陷如何影响这些混合材料的机械可靠性的电影。

我们也研究如何制作单个水晶电影在一个没有经历多晶薄膜的可伸缩的方式,这样我们可以直接与设备应用程序整合单晶薄膜。我们想要一个可伸缩的生产单结晶电影没有显著增加生产成本。

什么样的时间表和这些改进你在看吗?

这是一个很好的问题,因为我相信它可能会更快的从改善材料的化学稳定性,因为有一个重要的努力在社区和机械的理解是有点落后。欧洲杯足球竞彩

我们希望在未来的十年中,我们可以显著提高二维混合动力车和让他们准备实际应用。钙钛矿被认为是主要候选人的下一代光伏材料以达到electricity-carbon-neutral目标到2035年美国的经济总量在2050年碳中和。欧洲杯足球竞彩所以,我们希望在2035年甚至更早的时候,我们可以完全解决这些问题与2 d混合钙钛矿相关联。

最后,你提到你有一些其他的研究。你愿意告诉我们一点关于其他的一些项目,你是在工作吗?

现在,我的注意力,正如我前面所提到的,是理解的表面和界面改进电子能源应用程序的性能。从钙钛矿,我们还研究钙钛矿材料在电场下的可靠性,以及他们将如何在天基应用程序的行为。欧洲杯足球竞彩

除此之外,因为我们是在德克萨斯州,我们有很多传统化石能源生产,而这些化石能源产生的副产品和废物。我们正在努力收获绿色能源的化石燃料生产副产品应用程序。例如,有些材料我们发现有机半导体材料,我们可以利用这些材欧洲杯足球竞彩料对太阳能应用程序和其他半导体应用记忆电阻器上的低能耗。简而言之,我们的口号是,“我们不应该浪费任何浪费”。

读者在哪里可以找到更多的信息吗?

Mechanics-coupled金属卤化钙钛矿的稳定

揭幕的疲劳行为2 d混合有机-无机钙钛矿:见解长期耐久性

关于清涂博士

清涂博士是一个材料科学与工程系助理教授在德州A&M大学(TAMU)。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球他收到了他的学士学位2011年从北京大学理论与应用力学和机械工程和材料科学博士学位2017年杜克大学优秀论文奖。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球博士期间,他还获得了证书(小)在纳米科学和经济学硕士。欧洲杯线上买球然后他做了一个博士后在西北大学材料科学与工程学系,在此期间他被选为获得美国真空学会电子欧洲杯足球竞彩材料与欧洲杯线上买球光子学部门2019年博士后旅游奖。他感兴趣的是了解和工程先进功能材料的表面和界面(如二维材料,混合有机-无机钙钛矿)从力学的角度来设计和优化其功能属性的应用程序。欧洲杯足球竞彩他赢得了ACS石油研究基金会博士新研究员奖和ASME罗伯特·m·玛丽Haythornthwaite年轻调查员奖在2021年。