近年新興的鐵電材料因?yàn)榫哂谐熳x寫速度、超低功耗和很好的抗輻射能力，被越來(lái)越多地應(yīng)用于衛(wèi)星存儲(chǔ)器等復(fù)雜場(chǎng)景。但因制造成本高、存儲(chǔ)密度低等劣勢(shì)，這種材料的商業(yè)發(fā)展前景頗為受限。其中的疲勞失效問(wèn)題，導(dǎo)致鐵電材料存儲(chǔ)器的讀寫次數(shù)僅為幾萬(wàn)次。
為此，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡(jiǎn)稱寧波材料所）聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)，基于二維滑移鐵電機(jī)制，共同創(chuàng)制了一種無(wú)疲勞的鐵電材料。相關(guān)成果6月7日發(fā)表于《科學(xué)》。審稿人認(rèn)為，“作者展示了一種解決傳統(tǒng)鐵電材料性能下降的方法?！?/p>
極化翻轉(zhuǎn)機(jī)制導(dǎo)致疲勞失效
鐵電材料是一種常見的功能材料，小到打火機(jī)、麥克風(fēng)、耳機(jī)、存儲(chǔ)器等，大到驅(qū)動(dòng)器、能量轉(zhuǎn)換器、濾波器、制動(dòng)器、減震器等都離不開它。這種材料也是制造航空動(dòng)力診斷設(shè)備、火星巖石鉆孔器、深海聲吶設(shè)備等必不可少的材料之一。對(duì)于這種材料的極化特性，論文共同第一作者、寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)副研究員何日打了個(gè)比方：在一支原地休息的隊(duì)伍中，所有士兵的目光隨機(jī)看向左邊或右邊，當(dāng)軍官下達(dá)口令后，隊(duì)伍就統(tǒng)一向左看或向右看。只要沒(méi)有下一個(gè)口令，即使軍官不在場(chǎng)，隊(duì)伍也會(huì)一直保持之前的狀態(tài)。因?yàn)榧由想妶?chǎng)后極化翻轉(zhuǎn)非?？?，所以鐵電材料存儲(chǔ)器讀寫也非?？?，并且具有非易失性。然而，隨著極化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，鐵電材料極化會(huì)減小，導(dǎo)致性能衰減，最終導(dǎo)致器件失效。在全球范圍內(nèi)，傳統(tǒng)鐵電材料的疲勞失效是各種電子設(shè)備出現(xiàn)故障的主要原因之一。尤其是近年來(lái)，在航空航天、深海探測(cè)等重大技術(shù)裝備領(lǐng)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(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行存儲(chǔ)、傳感、驅(qū)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵任務(wù)，鐵電材料會(huì)因外場(chǎng)的反復(fù)加載而反復(fù)發(fā)生極化翻轉(zhuǎn)。因此，對(duì)鐵電材料的抗疲勞特性進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，是保障器件可靠性的基礎(chǔ)。不移動(dòng)“缺陷”，不產(chǎn)生疲勞
對(duì)于傳統(tǒng)鐵電材料發(fā)生疲勞的內(nèi)在原因，何日介紹，材料內(nèi)部有無(wú)數(shù)晶格單元，每個(gè)晶格單元內(nèi)都聚集了帶電離子，同時(shí)也存在很多缺陷。這些帶電離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。在電場(chǎng)下，鐵電材料中每個(gè)晶格單元的極化翻轉(zhuǎn)不是同時(shí)發(fā)生的，而是像海浪一樣從材料的一端傳播到另一端。在傳播過(guò)程中，材料中的缺陷會(huì)隨傳播而移動(dòng)并聚集，久而久之成為缺陷團(tuán)簇，阻止極化翻轉(zhuǎn)的傳播過(guò)程，進(jìn)而使得材料產(chǎn)生極化疲勞，是一種不可逆的損壞。“就像海浪卷起海水中的小石子，小石子會(huì)聚集成大礁石，阻止海浪的移動(dòng)。”何日解釋說(shuō)。針對(duì)這一問(wèn)題，何日與寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)研究員鐘志誠(chéng)通過(guò)理論計(jì)算，預(yù)言了滑移鐵電具有抗疲勞特性。基于滑移鐵電機(jī)制，他們聯(lián)合相關(guān)團(tuán)隊(duì)制備出無(wú)疲勞的二維層狀滑移鐵電材料，并通過(guò)人工智能輔助的大規(guī)模原子模擬，從微觀角度闡明了該機(jī)制實(shí)現(xiàn)無(wú)鐵電疲勞的原因。與傳統(tǒng)鐵電材料的離子移動(dòng)機(jī)制不同，滑移鐵電機(jī)制主要適用于二維層狀材料，在電場(chǎng)作用下，層與層之間會(huì)產(chǎn)生滑移，同時(shí)層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。何日表示：“二維滑移鐵電材料沒(méi)有原子的獨(dú)立移動(dòng)，兩層原子像兩張紙一樣整體滑動(dòng)。其間也有缺陷，但由于原子層間滑移無(wú)須克服離子鍵或共價(jià)鍵，因此極化翻轉(zhuǎn)所需外加電場(chǎng)較小，不足以讓缺陷移動(dòng)。而且二維層狀的結(jié)構(gòu)使缺陷難以跨越層間移動(dòng)，所以缺陷更加不易聚集。”也就是說(shuō)，這種材料不會(huì)產(chǎn)生鐵電疲勞?！Ｒ?guī)鐵電材料和二維滑移鐵電材料疲勞特性的對(duì)比百萬(wàn)次翻轉(zhuǎn)無(wú)衰減
在該研究中，作者以雙層二硫化鉬二維材料為代表，設(shè)計(jì)出合適的原子堆疊方式，利用化學(xué)氣相輸送法制備出雙層二硫化鉬鐵電器件，厚度僅為1.3納米。在400萬(wàn)次循環(huán)電場(chǎng)極化翻轉(zhuǎn)以后，電學(xué)曲線測(cè)量表明，其鐵電極化并沒(méi)有發(fā)生任何衰減，抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)離子型鐵電材料。這意味著，使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲(chǔ)器，不僅基本沒(méi)有讀寫次數(shù)限制，超薄的厚度還可以大大提升存儲(chǔ)密度。因此，對(duì)于深海探測(cè)或航空航天重要裝備而言，無(wú)疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料可極大提升設(shè)備可靠性，降低維護(hù)成本。該成果一投稿就得到了《科學(xué)》期刊編輯和審稿人的認(rèn)可。幾位審稿人表示：“通過(guò)滑移鐵電機(jī)制解決鐵電疲勞問(wèn)題非常巧妙?！薄帮@然，滑移鐵電中極化翻轉(zhuǎn)的勢(shì)壘遠(yuǎn)小于缺陷遷移勢(shì)壘?！毕乱徊剑芯繄F(tuán)隊(duì)將就如何提升滑移鐵電器件高溫穩(wěn)定性這一問(wèn)題開展研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)疲勞滑移鐵電器件在各類極端條件下的應(yīng)用。相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.ado1744
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)（2024-06-11第1版要聞）
