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【中国科学报】滑移铁电:无限次读写不疲劳

2024-06-11 中国科学报 张楠
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近年新兴的铁电材料因为具有超快读写速度、超低功耗和很好的抗辐射能力,被越来越多地应用于卫星存储器等复杂场景。但因制造成本高、存储密度低等劣势,这种材料的商业发展前景颇为受限。其中的疲劳失效问题,导致铁电材料存储器的读写次数仅为几万次。

为此,中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称宁波材料所)联合电子科技大学、复旦大学相关团队,基于二维滑移铁电机制,共同创制了一种无疲劳的铁电材料。相关成果6月7日发表于《科学》。审稿人认为,“作者展示了一种解决传统铁电材料性能下降的方法。”

极化翻转机制导致疲劳失效

铁电材料是一种常见的功能材料,小到打火机、麦克风、耳机、存储器等,大到驱动器、能量转换器、滤波器、制动器、减震器等都离不开它。这种材料也是制造航空动力诊断设备、火星岩石钻孔器、深海声呐设备等必不可少的材料之一。

对于这种材料的极化特性,论文共同第一作者、宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队副研究员何日打了个比方:在一支原地休息的队伍中,所有士兵的目光随机看向左边或右边,当军官下达口令后,队伍就统一向左看或向右看。只要没有下一个口令,即使军官不在场,队伍也会一直保持之前的状态。

因为加上电场后极化翻转非常快,所以铁电材料存储器读写也非常快,并且具有非易失性。然而,随着极化翻转次数的增加,铁电材料极化会减小,导致性能衰减,最终导致器件失效。

在全球范围内,传统铁电材料的疲劳失效是各种电子设备出现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,利用铁电材料制作的各类器件常常被用于在高温、高压、高频、高强磁场等复杂环境下执行存储、传感、驱动、能量转换等关键任务,铁电材料会因外场的反复加载而反复发生极化翻转。因此,对铁电材料的抗疲劳特性进行优化和设计,是保障器件可靠性的基础。

不移动“缺陷”,不产生疲劳

对于传统铁电材料发生疲劳的内在原因,何日介绍,材料内部有无数晶格单元,每个晶格单元内都聚集了带电离子,同时也存在很多缺陷。这些带电离子在电场的作用下会移动,进而产生极化翻转。

在电场下,铁电材料中每个晶格单元的极化翻转不是同时发生的,而是像海浪一样从材料的一端传播到另一端。在传播过程中,材料中的缺陷会随传播而移动并聚集,久而久之成为缺陷团簇,阻止极化翻转的传播过程,进而使得材料产生极化疲劳,是一种不可逆的损坏。

“就像海浪卷起海水中的小石子,小石子会聚集成大礁石,阻止海浪的移动。”何日解释说。

针对这一问题,何日与宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队研究员钟志诚通过理论计算,预言了滑移铁电具有抗疲劳特性。

基于滑移铁电机制,他们联合相关团队制备出无疲劳的二维层状滑移铁电材料,并通过人工智能辅助的大规模原子模拟,从微观角度阐明了该机制实现无铁电疲劳的原因。

与传统铁电材料的离子移动机制不同,滑移铁电机制主要适用于二维层状材料,在电场作用下,层与层之间会产生滑移,同时层间发生电荷转移,进而产生极化翻转。

何日表示:“二维滑移铁电材料没有原子的独立移动,两层原子像两张纸一样整体滑动。其间也有缺陷,但由于原子层间滑移无须克服离子键或共价键,因此极化翻转所需外加电场较小,不足以让缺陷移动。而且二维层状的结构使缺陷难以跨越层间移动,所以缺陷更加不易聚集。”也就是说,这种材料不会产生铁电疲劳。

百万次翻转无衰减

在该研究中,作者以双层二硫化钼二维材料为代表,设计出合适的原子堆叠方式,利用化学气相输送法制备出双层二硫化钼铁电器件,厚度仅为1.3纳米。在400万次循环电场极化翻转以后,电学曲线测量表明,其铁电极化并没有发生任何衰减,抗疲劳性能明显优于传统离子型铁电材料。

这意味着,使用新型二维层状滑移铁电材料的存储器,不仅基本没有读写次数限制,超薄的厚度还可以大大提升存储密度。

因此,对于深海探测或航空航天重要装备而言,无疲劳的新型二维层状滑移铁电材料可极大提升设备可靠性,降低维护成本。

该成果一投稿就得到了《科学》期刊编辑和审稿人的认可。几位审稿人表示:“通过滑移铁电机制解决铁电疲劳问题非常巧妙。”“显然,滑移铁电中极化翻转的势垒远小于缺陷迁移势垒。”

下一步,研究团队将就如何提升滑移铁电器件高温稳定性这一问题开展研究,进而实现无疲劳滑移铁电器件在各类极端条件下的应用。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.ado1744

(原载于《中国科学报》?2024-06-11?第1版?要闻)
打印 责任编辑:梁春雨

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