中國科研機構聯合創制無疲勞鐵電材料

中新網寧波6月7日電(林波)6月7日，中國科研機構聯合在國際學術期刊《科學》(Science)上發表了題為“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”(利用層間滑移翻轉機制開發抗疲勞鐵電材料)的研究文章，對外宣布聯合創制出無疲勞鐵電材料，有望實現存儲器無限次數擦寫。

該文章由中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊聯合電子科技大學、復旦大學相關團隊發表。

據介紹，該研究基于二維滑移鐵電機制，創制了一種無疲勞的鐵電材料，為解決鐵電材料的疲勞問題提供了全新途徑。

極化翻轉過程示意圖。　　中國科學院寧波材料所供圖

鐵電材料是一種常見的功能材料，因其晶體中正負電荷中心不重合，產生電偶極矩，從而具有自發電極化的性質，并能夠被外場所調控，小到打火機、麥克風、耳機、存儲器等，大到驅動器、能量轉換器、濾波器、制動器、減震器等都離不開鐵電材料，它也是航空動力診斷設備、火星巖石鉆孔器等尖端領域必不可少的材料之一。

“傳統鐵電材料會產生疲勞，即隨著極化翻轉次數的增加，鐵電材料極化會減小而導致其性能衰減，最終引發器件失效故障。”據該文章共同第一作者、中國科學院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊副研究員何日介紹，在全球范圍內，鐵電材料的疲勞失效是各種電子設備出現故障的主要原因之一。

中國科學院寧波材料所副研究員何日。　中國科學院寧波材料所供圖

尤其是近年來，在航空航天、深海探測等重大技術裝備領域，利用鐵電材料制作的各類器件常常被用于在高溫、高壓、高頻、高強磁場等復雜環境下執行存儲、傳感、驅動、能量轉換等關鍵任務，鐵電材料會受到外場的反復加載。

因此，對鐵電材料的抗疲勞特性進行優化和設計，是保障器件可靠性的基礎。

據了解，傳統鐵電材料產生疲勞的原因與其原子結構息息相關，在傳統鐵電材料的內部，有無數個晶格單元，每個晶格單元內都聚集了帶電離子，同時也存在很多缺陷，這些帶電離子在電場的作用下會移動，進而產生極化翻轉。

在電場下，鐵電材料中的每個晶格單元的極化翻轉不是同時發生的，而是如同海浪一般從材料的一端傳播到另一端，傳播過程中，材料中缺陷會移動并聚集，久而久之就會聚集成缺陷團簇，阻止極化翻轉的傳播過程，進而使得材料產生極化疲勞，器件發生不可逆的損壞。就像海浪卷起海水中的小石子，小石子會聚集成大礁石，阻止海浪的移動。

針對這一問題，何日與團隊研究員鐘志誠通過理論計算預言了滑移鐵電具有抗疲勞特性，并聯合電子科技大學、復旦大學相關團隊基于滑移鐵電機制，制備出了無疲勞的二維層狀滑移鐵電材料。

“我們進一步通過AI輔助的原子模擬，闡明了該機制實現無鐵電疲勞的原因。”據何日介紹，滑移鐵電機制與傳統鐵電材料的離子移動機制不同，滑移鐵電機制主要適用于二維層狀材料，在電場的作用下，層與層之間會產生滑移，同時層間發生電荷轉移，進而產生極化翻轉。

該研究團隊發現，由于無需克服離子間的共價鍵，所以極化翻轉所需外加電場較小，不足以讓缺陷移動，而且由于二維層狀的結構，使得缺陷難以跨越層間移動，所以缺陷更加不會聚集，也不會產生鐵電疲勞。

基于雙層二硫化鉬滑移鐵電材料制備的場效應晶體管器件。　中國科學院寧波材料所供圖

以雙層二硫化鉬二維材料為代表，該研究團隊通過化學氣相輸送(CVT)法制備了雙層二硫化鉬鐵電器件。

研究發現，在400萬次循環電場翻轉極化以后，電學曲線測量表明，鐵電極化并沒有發生任何衰減，抗疲勞性能明顯優于傳統離子型鐵電材料。

這意味著，以存儲器為例，使用傳統離子型鐵電材料(例如鋯鈦酸鉛PZT)的存儲器一般可讀寫幾萬次，而使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲器則無讀寫次數限制。

何日說：“因此對于深海探測或航空航天重大裝備領域而言，無疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料可極大提升設備可靠性，降低維護成本。”

據悉，中國科學院寧波材料所為共同第一完成單位和共同通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金和浙江省自然科學基金等項目的支持。(完)