我國科研機構(gòu)聯(lián)合創(chuàng)制無疲勞鐵電材料
中新網(wǎng)寧波6月7日電(林波)6月7日，中國科研機構(gòu)聯(lián)合在國際學(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)機制開發(fā)抗疲勞鐵電材料)的研究文章，對外宣布聯(lián)合創(chuàng)制出無疲勞鐵電材料，有望實現(xiàn)存儲器無限次數(shù)擦寫。
該文章由中國科學(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)團隊發(fā)表。
據(jù)介紹，該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。
極化翻轉(zhuǎn)過程示意圖。 中國科學(xué)院寧波材料所供圖
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(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，小到打火機、麥克風(fēng)、耳機、存儲器等，大到驅(qū)動器、能量轉(zhuǎn)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(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、中國科學(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊副研究員何日介紹，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。
中國科學(xué)院寧波材料所副研究員何日。 中國科學(xué)院寧波材料所供圖
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，利用鐵電材料制作的各類器件常常被用于在高溫、高壓、高頻、高強磁場等復(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)，鐵電材料會受到外場的反復(fù)加載。
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，有無數(shù)個晶格單元，每個晶格單元內(nèi)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(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。
在電場下，鐵電材料中的每個晶格單元的極化翻轉(zhuǎn)不是同時發(fā)生的，而是如同海浪一般從材料的一端傳播到另一端，傳播過程中，材料中缺陷會移動并聚集，久而久之就會聚集成缺陷團簇，阻止極化翻轉(zhuǎn)的傳播過程，進而使得材料產(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，小石子會聚集成大礁石，阻止海浪的移動。
針對這一問題，何日與團隊研究員鐘志誠通過理論計算預(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。
“我們進一步通過AI輔助的原子模擬，闡明了該機制實現(xiàn)無鐵電疲勞的原因。”據(jù)何日介紹，滑移鐵電機制與傳統(tǒng)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(chǎn)生滑移，同時層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。
該研究團隊發(fā)現(xiàn)，由于無需克服離子間的共價鍵，所以極化翻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，使得缺陷難以跨越層間移動，所以缺陷更加不會聚集，也不會產(chǎn)生鐵電疲勞。
基于雙層二硫化鉬滑移鐵電材料制備的場效應(yīng)晶體管器件。 中國科學(xué)院寧波材料所供圖
以雙層二硫化鉬二維材料為代表，該研究團隊通過化學(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，鐵電極化并沒有發(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)的存儲器一般可讀寫幾萬次，而使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲器則無讀寫次數(shù)限制。
何日說：“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可極大提升設(shè)備可靠性，降低維護成本。”
據(jù)悉，中國科學(xué)院寧波材料所為共同第一完成單位和共同通訊單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等項目的支持。
