中国科研机构联合创制无疲劳铁电材料

本文转自：中国新闻网

中新网宁波6月7日电(林波)6月7日，中国科研机构联合在国际学术期刊《科学》(Science)上发表了题为“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”(利用层间滑移翻转机制开发抗疲劳铁电材料)的研究文章，对外宣布联合创制出无疲劳铁电材料，有望实现存储器无限次数擦写。

该文章由中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队联合电子科技大学、复旦大学相关团队发表。

据介绍，该研究基于二维滑移铁电机制，创制了一种无疲劳的铁电材料，为解决铁电材料的疲劳问题提供了全新途径。

极化翻转过程示意图。中国科学院宁波材料所供图

铁电材料是一种常见的功能材料，因其晶体中正负电荷中心不重合，产生电偶极矩，从而具有自发电极化的性质，并能够被外场所调控，小到打火机、麦克风、耳机、存储器等，大到驱动器、能量转换器、滤波器、制动器、减震器等都离不开铁电材料，它也是航空动力诊断设备、火星岩石钻孔器等尖端领域必不可少的材料之一。

“传统铁电材料会产生疲劳，即随着极化翻转次数的增加，铁电材料极化会减小而导致其性能衰减，最终引发器件失效故障。”据该文章共同第一作者、中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队副研究员何日介绍，在全球范围内，铁电材料的疲劳失效是各种电子设备出现故障的主要原因之一。

中国科学院宁波材料所副研究员何日。中国科学院宁波材料所供图

尤其是近年来，在航空航天、深海探测等重大技术装备领域，利用铁电材料制作的各类器件常常被用于在高温、高压、高频、高强磁场等复杂环境下执行存储、传感、驱动、能量转换等关键任务，铁电材料会受到外场的反复加载。

因此，对铁电材料的抗疲劳特性进行优化和设计，是保障器件可靠性的基础。

据了解，传统铁电材料产生疲劳的原因与其原子结构息息相关，在传统铁电材料的内部，有无数个晶格单元，每个晶格单元内都聚集了带电离子，同时也存在很多缺陷，这些带电离子在电场的作用下会移动，进而产生极化翻转。

在电场下，铁电材料中的每个晶格单元的极化翻转不是同时发生的，而是如同海浪一般从材料的一端传播到另一端，传播过程中，材料中缺陷会移动并聚集，久而久之就会聚集成缺陷团簇，阻止极化翻转的传播过程，进而使得材料产生极化疲劳，器件发生不可逆的损坏。就像海浪卷起海水中的小石子，小石子会聚集成大礁石，阻止海浪的移动。

针对这一问题，何日与团队研究员钟志诚通过理论计算预言了滑移铁电具有抗疲劳特性，并联合电子科技大学、复旦大学相关团队基于滑移铁电机制，制备出了无疲劳的二维层状滑移铁电材料。

“我们进一步通过AI辅助的原子模拟，阐明了该机制实现无铁电疲劳的原因。”据何日介绍，滑移铁电机制与传统铁电材料的离子移动机制不同，滑移铁电机制主要适用于二维层状材料，在电场的作用下，层与层之间会产生滑移，同时层间发生电荷转移，进而产生极化翻转。

该研究团队发现，由于无需克服离子间的共价键，所以极化翻转所需外加电场较小，不足以让缺陷移动，而且由于二维层状的结构，使得缺陷难以跨越层间移动，所以缺陷更加不会聚集，也不会产生铁电疲劳。

基于双层二硫化钼滑移铁电材料制备的场效应晶体管器件。中国科学院宁波材料所供图

以双层二硫化钼二维材料为代表，该研究团队通过化学气相输送(CVT)法制备了双层二硫化钼铁电器件。

研究发现，在400万次循环电场翻转极化以后，电学曲线测量表明，铁电极化并没有发生任何衰减，抗疲劳性能明显优于传统离子型铁电材料。

这意味着，以存储器为例，使用传统离子型铁电材料(例如锆钛酸铅PZT)的存储器一般可读写几万次，而使用新型二维层状滑移铁电材料的存储器则无读写次数限制。

何日说：“因此对于深海探测或航空航天重大装备领域而言，无疲劳的新型二维层状滑移铁电材料可极大提升设备可靠性，降低维护成本。”

据悉，中国科学院宁波材料所为共同第一完成单位和共同通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的支持。(完)