Science|寧波材料所等單位聯(lián)合創(chuàng)制無疲勞鐵電材料，有望實現(xiàn)存儲器無限次數(shù)擦寫
6月7日，中國科學(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隊聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團隊在國際學(xué)術(shù)雜志Science上發(fā)表了題為“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”的研究文章（DOI：10.1126/science.ado1744）。該項研究基于二維滑移鐵電機制，創(chuàng)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。寧波材料所何日副研究員與鐘志誠研究員承擔(dān)了該項目中所有第一性原理計算與分子動力學(xué)模擬工作，通過理論預(yù)言了滑移鐵電抗疲勞特性，并最終為揭示滑移鐵電抗疲勞特性的微觀物理起源作出了決定性貢獻。
鐵電材料是一種常見的功能材料，因其晶體正負(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)，并能夠被外場所調(diào)控。然而，以商用最廣的鋯鈦酸鉛（PZT）為代表的傳統(tǒng)鐵電材料在使用過程中會發(fā)生鐵電疲勞，即隨著極化在外場下翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，電極化會減小導(dǎo)致性能衰減，最終引發(fā)器件失效故障。在全球范圍內(nèi)，鐵電疲勞失效是各類電子設(shè)備發(fā)生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，利用鐵電材料制備的各類器件常被用于在高溫高壓、高頻震動、高強磁場、高強輻射等復(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)，鐵電器件在外場的反復(fù)加載下會逐漸發(fā)生疲勞失效，因此對鐵電材料的抗疲勞特性進行優(yōu)化和設(shè)計，是保障設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)。
鐵電材料的疲勞普遍被認(rèn)為是由帶電荷缺陷導(dǎo)致的。鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)依賴于鐵電疇界的移動。鐵電材料在循環(huán)外場反復(fù)加載過程中，電極化翻轉(zhuǎn)，帶電缺陷也會隨著移動，久而久之缺陷就會聚集成團簇。缺陷團簇能夠強烈釘扎疇界，使其難以移動。一旦疇界被釘扎住，極化就會難以翻轉(zhuǎn)，進而導(dǎo)致器件疲勞失效。
針對這一問題，寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊何日副研究員與鐘志誠研究員通過理論計算預(yù)言了滑移鐵電材料的抗疲勞特性，并聯(lián)合電子科技大學(xué)劉富才教授團隊、復(fù)旦大學(xué)李文武教授團隊基于滑移鐵電機制，制備出了無疲勞二維層狀滑移鐵電材料，研究人員進一步通過AI輔助的跨尺度原子模擬，闡明了該機制實現(xiàn)抗鐵電疲勞的微觀起源。二維滑移鐵電機制與傳統(tǒng)鐵電材料的離子位移機制不同，在電場的作用下，二維材料層與層之間會產(chǎn)生整體滑移，同時層間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進而實現(xiàn)面外極化翻轉(zhuǎn)。通過理論計算發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)鐵電材料，滑移鐵電通過層間滑移實現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)所需電場較小，如此小的電場不足以使帶電缺陷移動。并且由于二維材料層狀結(jié)構(gòu)，缺陷難以跨越層間進行移動，因此缺陷不會聚集，也不會產(chǎn)生鐵電疲勞，如圖1所示。
研究團隊以雙層MoS2二維材料為代表性材料，通過化學(xué)氣相輸送（CVT）法制備了雙層MoS2鐵電器件。研究發(fā)現(xiàn)，在百萬次循環(huán)電場翻轉(zhuǎn)極化以后，電學(xué)曲線測量表明，鐵電極化并未發(fā)生衰減，如圖2所示，其抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)離子型鐵電材料。這意味著，以存儲器為例，使用新型二維滑移鐵電材料制備的鐵電存儲器無讀寫次數(shù)的限制。因此對于深海探測或航空航天重大裝備領(lǐng)域而言，無疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料有望極大提升設(shè)備可靠性，降低維護成本。
寧波材料所鐘志誠研究員、復(fù)旦大學(xué)李文武教授和電子科技大學(xué)劉富才教授為論文共同通訊作者，電子科技大學(xué)卞仁吉博士生、寧波材料所何日副研究員、電子科技大學(xué)潘二和李澤芬博士生為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（12204496、51931011）和浙江省自然科學(xué)基金（No. Q23A040003）等項目的支持。
圖1 常規(guī)鐵電材料和二維滑移鐵電材料疲勞特性的對比
圖2 3R-MoS2鐵電器件的疲勞特性電學(xué)表征。（A）（B）相同的底柵極和頂柵極轉(zhuǎn)移曲線表明晶體管性能的高可靠性；（C）（D）動態(tài)和靜態(tài)的鐵電電輸運測量曲線，表明優(yōu)秀的抗疲勞特性；（E）不同脈沖寬度和周期數(shù)下的電阻比；（F）3R-MoS2滑移鐵電與其他典型鐵電器件的厚度和疲勞特性對比
（磁性材料與器件重點實驗室? 何日）
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