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Science|宁波材料所等单位联合创制无疲劳铁电材料,有望实现存储器无限次数擦写
作者:,日期:2024-06-07

6月7日,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、复旦大学相关团队在国际学术杂志Science上发表了题为“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”的研究文章(DOI:10.1126/science.ado1744)。该项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。宁波材料所何日副研究员与钟志诚研究员承担了该项目中所有第一性原理计算与分子动力学模拟工作,通过理论预言了滑移铁电抗疲劳特性,并最终为揭示滑移铁电抗疲劳特性的微观物理起源作出了决定性贡献。

铁电材料是一种常见的功能材料,因其晶体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。然而,以商用最广的锆钛酸铅(PZT)为代表的传统铁电材料在使用过程中会发生铁电疲劳,即随着极化在外场下翻转次数的增加,电极化会减小导致性能衰减,最终引发器件失效故障。在全球范围内,铁电疲劳失效是各类电子设备发生故障的主要原因之一。尤其是近年来, 在航空航天、深海探测等重大技术装备领域,利用铁电材料制备的各类器件常被用于在高温高压、高频震动、高强磁场、高强辐射等复杂环境下执行存储、传感、驱动、能量转换等关键任务,铁电器件在外场的反复加载下会逐渐发生疲劳失效,因此对铁电材料的抗疲劳特性进行优化和设计,是保障设备可靠性的基础。

铁电材料的疲劳普遍被认为是由带电荷缺陷导致的。铁电材料的极化翻转依赖于铁电畴界的移动。铁电材料在循环外场反复加载过程中,电极化翻转,带电缺陷也会随着移动,久而久之缺陷就会聚集成团簇。缺陷团簇能够强烈钉扎畴界,使其难以移动。一旦畴界被钉扎。突崮岩苑贾缕骷@褪。

针对这一问题,宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队何日副研究员与钟志诚研究员通过理论计算预言了滑移铁电材料的抗疲劳特性,并联合电子科技大学刘富才教授团队、复旦大学李文武教授团队基于滑移铁电机制,制备出了无疲劳二维层状滑移铁电材料,研究人员进一步通过AI辅助的跨尺度原子模拟,阐明了该机制实现抗铁电疲劳的微观起源。二维滑移铁电机制与传统铁电材料的离子位移机制不同,在电场的作用下,二维材料层与层之间会产生整体滑移,同时层间会发生电荷转移,进而实现面外极化翻转。通过理论计算发现,相比于常规铁电材料,滑移铁电通过层间滑移实现极化翻转所需电场较。绱诵〉牡绯〔蛔阋允勾缛毕菀贫。并且由于二维材料层状结构,缺陷难以跨越层间进行移动,因此缺陷不会聚集,也不会产生铁电疲劳,如图1所示。

研究团队以双层MoS2二维材料为代表性材料,通过化学气相输送(CVT)法制备了双层MoS2铁电器件。研究发现,在百万次循环电场翻转极化以后,电学曲线测量表明,铁电极化并未发生衰减,如图2所示,其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,使用新型二维滑移铁电材料制备的铁电存储器无读写次数的限制。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有望极大提升设备可靠性,降低维护成本。

宁波材料所钟志诚研究员、复旦大学李文武教授和电子科技大学刘富才教授为论文共同通讯作者,电子科技大学卞仁吉博士生、宁波材料所何日副研究员、电子科技大学潘二和李泽芬博士生为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金(12204496、51931011)和浙江省自然科学基金(No. Q23A040003)等项目的支持。

图1 常规铁电材料和二维滑移铁电材料疲劳特性的对比

图2 3R-MoS2铁电器件的疲劳特性电学表征。(A)(B)相同的底栅极和顶栅极转移曲线表明晶体管性能的高可靠性;(C)(D)动态和静态的铁电电输运测量曲线,表明优秀的抗疲劳特性;(E)不同脉冲宽度和周期数下的电阻比;(F)3R-MoS2滑移铁电与其他典型铁电器件的厚度和疲劳特性对比


(磁性材料与器件重点实验室? 何日)

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