抗疲劳！中国科学家解决铁电材料疲劳之痛，有望实现存储器无限次数擦写

基于双层二硫化钼滑移铁电材料制备的场效应晶体管器件。

晶体材料未必都是完美的，反而可能存在大量缺陷。深入了解材料缺陷的各种“行为”，可以帮助科学家研发出“抗疲劳”材料。

铁电材料虽然名字中有“铁”，但实际上和金属“铁”一点关系都没有。这里的“铁电”是指一种绝缘材料。在外加电场的作用下，它的电荷能够重排产生电极化。即使撤掉电场，排列后的电荷依然能保持原状，也就是存在记忆功能。

铁电材料像十多年前常见的卡式磁带上的材料一样，可以被用作非易失性存储器，具有低功耗、无损读取和快速重复写入的优势。

铁电材料目前已被广泛应用在存储器、压电元件、传感设备等电子器件。

然而，传统铁电材料会产生疲劳：随着极化翻转次数的增加，铁电材料极化会减小，而导致其性能衰减，最终引发器件失效故障。

在全球范围内，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。

针对上述问题，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、复旦大学相关团队从铁电疲劳产生的微观原理入手，利用二维滑移铁电结构的独特性，创制了一种无疲劳铁电材料。

这一应用有望打破铁电存储器有限读写次数的限制，大大增加耐久性，从而能够在深海探测、航空航天以及柔性可穿戴电子设备等方面执行存储、传感、能量转换等关键任务。

北京时间6月7日凌晨，前述研究成果在线发表在国际学术杂志《科学》（Science）上。

极化翻转过程示意图。

传统铁电材料的内部，有无数个晶格单元，每个晶格单元内都聚集了带电离子。这些带电离子在电场的作用下会移动，进而产生极化翻转。

科研团队研究发现，传统铁电材料的晶体内部存在很多缺陷。更关键的是，这些缺陷在“极化翻转”传播过程中会发生聚集，成为缺陷团簇，从而阻碍正常的“极化翻转”，进而使得材料产生极化疲劳，器件发生不可逆的损坏。

一个小的缺陷聚集成“缺陷团簇”的过程，如同一颗颗小石子聚积成不可忽视的大礁石的过程。

如何避免“缺陷团簇”的形成呢？

科研团队最终采取的解决办法不是消除这些晶体中的缺陷，而是避免这些“缺陷”移动、聚集。但同时，又不能影响“极化翻转”的发生和传播。

他们想到了二维层状滑移铁电材料，用“层间滑移”来代替传统铁电材料的“离子移动”。在电场的作用下，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。

研究团队首先通过理论计算，论证了由于无需克服离子间的共价键，所以极化翻转所需外加电场较小，不足以让缺陷移动，而且由于二维层状的结构，使得缺陷难以跨越层间移动，所以缺陷更加不会聚集，也不会产生铁电疲劳。

而在常规离子型铁电材料中，在电场作用下，铁电材料中的每个晶格单元的极化翻转不是同时发生的，而是如同海浪一般从材料的一端传播到另一端。传播过程中，材料中缺陷会移动并聚集。

新材料抗疲劳的原理是：层与层之间存在范德华间隙，如一堵墙把缺陷隔离开，使其无法移动；层内部，由于没有横向电场，缺陷同样无法移动。

研究团队以双层二硫化钼为代表性材料，通过化学气相输送（CVT）法制备了双层二硫化钼铁电器件，其厚度仅为纳米级别。研究发现，在数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没有发生衰减，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其存储密度。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可极大提升设备可靠性，降低维护成本。

在评审意见中，一位审稿专家表示，“通过滑移铁电机制来解决铁电疲劳问题非常巧妙”。另一位审稿专家表示，“作者们展示了一种解决众所周知的传统铁电材料性能下降的方法。显然，滑移铁电中极化翻转的势垒远小于缺陷迁移势垒，这一点被很成功地揭示了出来”。

中国科学院宁波材料所何日副研究员。

宁波材料所何日副研究员是前述最新发表论文的共同第一作者，宁波材料所为共同通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的支持。