近年新興的鐵電材料，因為具有超快的讀寫速度，斷電后數據不丟失，以及超低功耗和很好的抗輻射能力，越來越多被應用于衛星存儲器等復雜場景。
但也因制造成本高、存儲密度低等劣勢，這種材料的商業發展前景頗為受限。其中的疲勞失效問題，則導致鐵電材料存儲器的讀寫次數僅為幾萬次。
為此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所（寧波材料所）聯合電子科技大學、復旦大學相關團隊，基于二維滑移鐵電機制，共同創制了一種無疲勞的鐵電材料。
“顯然，滑移鐵電中極化翻轉的勢壘遠小于缺陷遷移勢壘。”該成果6月7日發表于《科學》，期刊審稿人認為，“作者展示了一種解決傳統鐵電材料性能下降的方法。”
極化翻轉機制導致疲勞失效
鐵電材料是一種常見的功能材料，因其晶體中正負電荷中心不重合，產生電偶極矩，從而具有自發電極化的性質，并能夠被外場所調控。
小到打火機、麥克風、耳機、存儲器等，大到驅動器、能量轉換器、濾波器、制動器、減震器等都離不開鐵電材料，它也是航空動力診斷設備、火星巖石鉆孔器、深海聲納設備等尖端領域必不可少的材料之一。
對于這種材料的極化特性，文章共同第一作者、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，當軍官下達口令，隊伍就統一向左看或向右看，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。
因為電場加上去以后極化翻轉非常快，所以鐵電材料存儲器讀寫非常快，并且具有非易失性。
然而，隨著極化翻轉次數的增加，鐵電材料極化會減小而導致其性能衰減，最終引發器件失效故障。
在全球范圍內，傳統鐵電材料的疲勞失效是各種電子設備出現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裝備領域，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、高強磁場等復雜環境下執行存儲、傳感、驅動、能量轉換等關鍵任務，鐵電材料會受到外場的反復加載而反復發生極化翻轉。
因此，對鐵電材料的抗疲勞特性進行優化和設計，是保障器件可靠性的基礎。
“缺陷”不移動，疲勞不產生
對于傳統鐵電材料發生疲勞的內在原因，何日介紹，材料內部有無數個晶格單元，每個晶格單元內都聚集了帶電離子，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，進而產生極化翻轉。
在電場下，鐵電材料中的每個晶格單元的極化翻轉不是同時發生的，而是如同海浪一般從材料的一端傳播到另一端，傳播過程中，材料中的缺陷會隨傳播而移動并聚集，久而久之聚集成為缺陷團簇，阻止極化翻轉的傳播過程，進而使得材料產生極化疲勞，是一種不可逆的損壞。
“就像海浪卷起海水中的小石子，小石子會聚集成大礁石，阻止海浪的移動。”何日解釋。
極化翻轉過程示意圖：電場下，鐵電極化翻轉并非整體同時發生，而是通過疇界移動實現，疇界如同海浪一般從材料的一端傳播到另一端，最終實現鐵電材料的極化翻轉。
針對這一問題，何日與團隊研究員鐘志誠通過理論計算，預言了滑移鐵電具有抗疲勞特性。
他們聯合相關團隊基于滑移鐵電機制，制備出了無疲勞的二維層狀滑移鐵電材料，并通過AI輔助的大規模原子模擬，從微觀角度闡明了該機制實現無鐵電疲勞的原因。
滑移鐵電機制與傳統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，在電場的作用下，層與層之間會產生滑移，同時層間發生電荷轉移，進而產生極化翻轉。
何日表示：“二維滑移鐵電材料，沒有原子的獨立移動，而是兩層原子像兩張紙一樣整體滑動。其間也有缺陷，但是由于原子層間滑移無需克服離子鍵或共價鍵，所以極化翻轉所需外加電場較小，不足以讓缺陷移動，而且由于二維層狀的結構，缺陷難以跨越層間移動，所以缺陷更加不會聚集。”也就是說，不會產生鐵電疲勞。
常規鐵電材料和二維滑移鐵電材料疲勞特性的對比。左圖為傳統離子型鐵電材料鐵電疲勞的機制：極化翻轉疇界移動過程中缺陷會移動并聚集成團簇，阻礙疇界移動，使得極化翻轉無法繼續進行，最終產生鐵電疲勞；右圖為二維層狀滑移鐵電抗疲勞機制：極化翻轉過程中，缺陷被牢牢釘扎在層內無法移動，不會聚集和阻礙疇界移動，故無鐵電疲勞。寧波材料所供圖
百萬次翻轉無衰減
在該研究中，作者以雙層二硫化鉬（MoS2）二維材料為代表，設計出合適的原子堆疊方式，通過化學氣相輸送（CVT）法制備了雙層二硫化鉬鐵電器件，其厚度僅為1.3納米。
研究發現，在400萬次循環電場翻轉極化以后，電學曲線測量表明，鐵電極化并沒有發生任何衰減，抗疲勞性能明顯優于傳統離子型鐵電材料。
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限制，超薄的厚度還可以大大提升其存儲密度。
因此對于深海探測或航空航天重大裝備領域而言，無疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料可極大提升設備可靠性，降低維護成本。
該成果甫投稿，即得到《科學》期刊編輯、審稿人的認可。幾位審稿人表示：“通過滑移鐵電機制來解決鐵電疲勞問題非常巧妙。”“顯然，滑移鐵電中極化翻轉的勢壘遠小于缺陷遷移勢壘。”
下一步，研究團隊將就如何提升滑移鐵電器件高溫穩定性這一問題開展研究，以實現無疲勞滑移鐵電器件在各類極端條件下的應用。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.ado1744
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