作者:张楠,高晓静 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/7 11:20:54
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滑移铁电:无限次读写不疲劳

 

近年新兴的铁电材料,因为具有超快的读写速度,断电后数据不丢失,以及超低功耗和很好的抗辐射能力,越来越多被应用于卫星存储器等复杂场景。


但也因制造成本高、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,则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(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。


“显然,滑移铁电中极化翻转的势垒远小于缺陷迁移势垒。”该成果6月7日发表于《科学》,期刊审稿人认为,“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,因其晶体中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。


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、减震器等都离不开铁电材料,它也是航空动力诊断设备、火星岩石钻孔器、深海声纳设备等尖端领域必不可少的材料之一。


对于这种材料的极化特性,文章共同第一作者、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,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。


因为电场加上去以后极化翻转非常快,所以铁电材料存储器读写非常快,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而导致其性能衰减,最终引发器件失效故障。


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,铁电材料会受到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。


“缺陷”不移动,疲劳不产生


对于传统铁电材料发生疲劳的内在原因,何日介绍,材料内部有无数个晶格单元,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,材料中的缺陷会随传播而移动并聚集,久而久之聚集成为缺陷团簇,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。



极化翻转过程示意图:电场下,铁电极化翻转并非整体同时发生,而是通过畴界移动实现,畴界如同海浪一般从材料的一端传播到另一端,最终实现铁电材料的极化翻转。


针对这一问题,何日与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。


他们联合相关团队基于滑移铁电机制,制备出了无疲劳的二维层状滑移铁电材料,并通过AI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。


滑移铁电机制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。


何日表示:“二维滑移铁电材料,没有原子的独立移动,而是两层原子像两张纸一样整体滑动。其间也有缺陷,但是由于原子层间滑移无需克服离子键或共价键,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,缺陷难以跨越层间移动,所以缺陷更加不会聚集。”也就是说,不会产生铁电疲劳。



常规铁电材料和二维滑移铁电材料疲劳特性的对比。左图为传统离子型铁电材料铁电疲劳的机制:极化翻转畴界移动过程中缺陷会移动并聚集成团簇,阻碍畴界移动,使得极化翻转无法继续进行,最终产生铁电疲劳;右图为二维层状滑移铁电抗疲劳机制:极化翻转过程中,缺陷被牢牢钉扎在层内无法移动,不会聚集和阻碍畴界移动,故无铁电疲劳。宁波材料所供图


百万次翻转无衰减


在该研究中,作者以双层二硫化钼(MoS2)二维材料为代表,设计出合适的原子堆叠方式,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1.3纳米。


研究发现,在400万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。


该成果甫投稿,即得到《科学》期刊编辑、审稿人的认可。几位审稿人表示:“通过滑移铁电机制来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,以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


 
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