6月7日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)，在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了題為Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching的研究文章。該研究基于二維滑移鐵電機(jī)制，創(chuàng)制了無(wú)疲勞的鐵電材料，為解決鐵電材料的疲勞問(wèn)題提供了全新途徑。

鐵電材料是常見(jiàn)的功能材料，因晶體正負(fù)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(chǎng)所調(diào)控。然而，以商用最廣的鋯鈦酸鉛為代表的傳統(tǒng)鐵電材料在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生鐵電疲勞，即隨著極化在外場(chǎng)下翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，電極化減小，導(dǎo)致性能衰減，最終引發(fā)器件失效故障。在全球范圍內(nèi)，鐵電疲勞失效是各類電子設(shè)備發(fā)生故障的主要原因之一。近年來(lái)，利用鐵電材料制備的各類器件常被用于在高溫高壓、高頻震動(dòng)、高強(qiáng)磁場(chǎng)、高強(qiáng)輻射等復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行存儲(chǔ)、傳感、驅(qū)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵任務(wù)，但鐵電器件在外場(chǎng)的反復(fù)加載下會(huì)逐漸發(fā)生疲勞失效。因此，對(duì)鐵電材料的抗疲勞特性進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，是保障設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)。

鐵電材料的疲勞被認(rèn)為是帶電荷缺陷所致。鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)依賴于鐵電疇界的移動(dòng)。鐵電材料在循環(huán)外場(chǎng)反復(fù)加載過(guò)程中，電極化翻轉(zhuǎn)，帶電缺陷也會(huì)隨著移動(dòng)，久而久之缺陷便會(huì)聚集成團(tuán)簇。缺陷團(tuán)簇能夠釘扎疇界，使其難以移動(dòng)。一旦疇界被釘扎住，極化便難以翻轉(zhuǎn)，致使器件疲勞失效。

寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)副研究員何日與研究員鐘志誠(chéng)，通過(guò)理論計(jì)算預(yù)言了滑移鐵電材料的抗疲勞特性，并聯(lián)合電子科技大學(xué)教授劉富才團(tuán)隊(duì)、復(fù)旦大學(xué)教授李文武團(tuán)隊(duì)，基于滑移鐵電機(jī)制，制備出無(wú)疲勞二維層狀滑移鐵電材料。進(jìn)一步，研究通過(guò)AI輔助的跨尺度原子模擬，闡明了這一機(jī)制實(shí)現(xiàn)抗鐵電疲勞的微觀起源。二維滑移鐵電機(jī)制與傳統(tǒng)鐵電材料的離子位移機(jī)制不同。在電場(chǎng)的作用下，二維材料層與層之間會(huì)產(chǎn)生整體滑移，同時(shí)層間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)面外極化翻轉(zhuǎn)。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)鐵電材料，滑移鐵電通過(guò)層間滑移實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)所需電場(chǎng)較小，但如此小的電場(chǎng)不足以使帶電缺陷移動(dòng)。同時(shí)，由于二維材料層狀結(jié)構(gòu)，缺陷難以跨越層間移動(dòng)，因此缺陷不會(huì)聚集，也不會(huì)產(chǎn)生鐵電疲勞。

該研究以雙層MoS₂二維材料為代表性材料，采用化學(xué)氣相輸送法制備出雙層MoS₂鐵電器件。在百萬(wàn)次循環(huán)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)極化后，鐵電極化并未發(fā)生衰減，這提示該鐵電器件的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)離子型鐵電材料。研究發(fā)現(xiàn)，以存儲(chǔ)器為例，使用新型二維滑移鐵電材料制備的鐵電存儲(chǔ)器無(wú)讀寫(xiě)次數(shù)限制。因此，無(wú)疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料有望提升設(shè)備可靠性，降低維護(hù)成本。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

常規(guī)鐵電材料和二維滑移鐵電材料疲勞特性對(duì)比

3R-MoS₂鐵電器件的疲勞特性電學(xué)表征