近年新興的鐵電材料因為具有超快讀寫速度、超低功耗和很好的抗輻射能力，被越來越多地應(yīng)用于衛(wèi)星存儲器等復(fù)雜場景。但因制造成本高、存儲密度低等劣勢，這種材料的商業(yè)發(fā)展前景頗為受限。其中的疲勞失效問題，導(dǎo)致鐵電材料存儲器的讀寫次數(shù)僅為幾萬次。
為此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團隊，基于二維滑移鐵電機制，共同創(chuàng)制了一種無疲勞的鐵電材料。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、麥克風(fēng)、耳機、存儲器等，大到驅(qū)動器、能量轉(zhuǎn)換器、濾波器、制動器、減震器等都離不開它。這種材料也是制造航空動力診斷設(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隊副研究員何日打了個比方：在一支原地休息的隊伍中，所有士兵的目光隨機看向左邊或右邊，當(dāng)軍官下達(dá)口令后，隊伍就統(tǒng)一向左看或向右看。只要沒有下一個口令，即使軍官不在場，隊伍也會一直保持之前的狀態(tài)。因為加上電場后極化翻轉(zhuǎn)非?？?，所以鐵電材料存儲器讀寫也非?？?，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，在航空航天、深海探測等重大技術(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、高強磁場等復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行存儲、傳感、驅(qū)動、能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵任務(wù)，鐵電材料會因外場的反復(fù)加載而反復(fù)發(fā)生極化翻轉(zhuǎn)。因此，對鐵電材料的抗疲勞特性進行優(yōu)化和設(shè)計，是保障器件可靠性的基礎(chǔ)。不移動“缺陷”，不產(chǎn)生疲勞
對于傳統(tǒng)鐵電材料發(fā)生疲勞的內(nèi)在原因，何日介紹，材料內(nèi)部有無數(shù)晶格單元，每個晶格單元內(nèi)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(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。在電場下，鐵電材料中每個晶格單元的極化翻轉(zhuǎn)不是同時發(fā)生的，而是像海浪一樣從材料的一端傳播到另一端。在傳播過程中，材料中的缺陷會隨傳播而移動并聚集，久而久之成為缺陷團簇，阻止極化翻轉(zhuǎn)的傳播過程，進而使得材料產(chǎn)生極化疲勞，是一種不可逆的損壞?！熬拖窈＠司砥鸷Ｋ械男∈?，小石子會聚集成大礁石，阻止海浪的移動。”何日解釋說。針對這一問題，何日與寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊研究員鐘志誠通過理論計算，預(yù)言了滑移鐵電具有抗疲勞特性。基于滑移鐵電機制，他們聯(lián)合相關(guān)團隊制備出無疲勞的二維層狀滑移鐵電材料，并通過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制實現(xiàn)無鐵電疲勞的原因。與傳統(tǒng)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，在電場作用下，層與層之間會產(chǎn)生滑移，同時層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。何日表示：“二維滑移鐵電材料沒有原子的獨立移動，兩層原子像兩張紙一樣整體滑動。其間也有缺陷，但由于原子層間滑移無須克服離子鍵或共價鍵，因此極化翻轉(zhuǎn)所需外加電場較小，不足以讓缺陷移動。而且二維層狀的結(jié)構(gòu)使缺陷難以跨越層間移動，所以缺陷更加不易聚集。”也就是說，這種材料不會產(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比百萬次翻轉(zhuǎn)無衰減
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400萬次循環(huán)電場極化翻轉(zhuǎn)以后，電學(xué)曲線測量表明，其鐵電極化并沒有發(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器，不僅基本沒有讀寫次數(shù)限制，超薄的厚度還可以大大提升存儲密度。因此，對于深海探測或航空航天重要裝備而言，無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：“通過滑移鐵電機制解決鐵電疲勞問題非常巧妙。”“顯然，滑移鐵電中極化翻轉(zhuǎn)的勢壘遠(yuǎn)小于缺陷遷移勢壘?！毕乱徊剑芯繄F隊將就如何提升滑移鐵電器件高溫穩(wěn)定性這一問題開展研究，進而實現(xiàn)無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
來源：中國科學(xué)報（2024-06-11第1版要聞）
