中新網(wǎng)寧波6月7日電(林波)6月7日，中國(guó)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上發(fā)表了題為“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”(利用層間滑移翻轉(zhuǎn)機(jī)制開(kāi)發(fā)抗疲勞鐵電材料)的研究文章，對(duì)外宣布聯(lián)合創(chuàng)制出無(wú)疲勞鐵電材料，有望實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器無(wú)限次數(shù)擦寫。

該文章由中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)發(fā)表。

據(jù)介紹，該研究基于二維滑移鐵電機(jī)制，創(chuàng)制了一種無(wú)疲勞的鐵電材料，為解決鐵電材料的疲勞問(wèn)題提供了全新途徑。

極化翻轉(zhuǎn)過(guò)程示意圖?！　≈袊?guó)科學(xué)院寧波材料所供圖

鐵電材料是一種常見(jiàn)的功能材料，因其晶體中正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生電偶極矩，從而具有自發(fā)電極化的性質(zhì)，并能夠被外場(chǎng)所調(diào)控，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(kāi)鐵電材料，它也是航空動(dòng)力診斷設(shè)備、火星巖石鉆孔器等尖端領(lǐng)域必不可少的材料之一。

“傳統(tǒng)鐵電材料會(huì)產(chǎn)生疲勞，即隨著極化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，鐵電材料極化會(huì)減小而導(dǎo)致其性能衰減，最終引發(fā)器件失效故障。”據(jù)該文章共同第一作者、中國(guó)科學(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)副研究員何日介紹，在全球范圍內(nèi)，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。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料所副研究員何日?！≈袊?guó)科學(xué)院寧波材料所供圖

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)受到外場(chǎng)的反復(fù)加載。

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)。

據(jù)了解，傳統(tǒng)鐵電材料產(chǎn)生疲勞的原因與其原子結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，在傳統(tǒng)鐵電材料的內(nèi)部，有無(wú)數(shù)個(gè)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，鐵電材料中的每個(gè)晶格單元的極化翻轉(zhuǎn)不是同時(shí)發(fā)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(guò)程中，材料中缺陷會(huì)移動(dòng)并聚集，久而久之就會(huì)聚集成缺陷團(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，器件發(fā)生不可逆的損壞。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)。

針對(duì)這一問(wèn)題，何日與團(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，并聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)基于滑移鐵電機(jī)制，制備出了無(wú)疲勞的二維層狀滑移鐵電材料。

“我們進(jìn)一步通過(guò)AI輔助的原子模擬，闡明了該機(jī)制實(shí)現(xiàn)無(wú)鐵電疲勞的原因?！睋?jù)何日介紹，滑移鐵電機(jī)制與傳統(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)的作用下，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)。

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，由于無(wú)需克服離子間的共價(jià)鍵，所以極化翻轉(zhuǎn)所需外加電場(chǎng)較小，不足以讓缺陷移動(dòng)，而且由于二維層狀的結(jié)構(gòu)，使得缺陷難以跨越層間移動(dòng)，所以缺陷更加不會(huì)聚集，也不會(huì)產(chǎn)生鐵電疲勞。

基于雙層二硫化鉬滑移鐵電材料制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件?！≈袊?guó)科學(xué)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(tuán)隊(duì)通過(guò)化學(xué)氣相輸送(CVT)法制備了雙層二硫化鉬鐵電器件。

研究發(fā)現(xiàn)，在400萬(wàn)次循環(huán)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)極化以后，電學(xué)曲線測(cè)量表明，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，以存儲(chǔ)器為例，使用傳統(tǒng)離子型鐵電材料(例如鋯鈦酸鉛PZT)的存儲(chǔ)器一般可讀寫幾萬(wàn)次，而使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲(chǔ)器則無(wú)讀寫次數(shù)限制。

何日說(shuō)：“因此對(duì)于深海探測(cè)或航空航天重大裝備領(lǐng)域而言，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?！?/p>

據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。(完)