基于雙層二硫化鉬滑移鐵電材料制備的場效應晶體管器件。

晶體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種“行為”，可以幫助科學家研發(fā)出“抗疲勞”材料。

鐵電材料雖然名字中有“鐵”，但實際上和金屬“鐵”一點關系都沒有。這里的“鐵電”是指一種絕緣材料。在外加電場的作用下，它的電荷能夠重排產(chǎn)生電極化。即使撤掉電場，排列后的電荷依然能保持原狀，也就是存在記憶功能。

鐵電材料像十多年前常見的卡式磁帶上的材料一樣，可以被用作非易失性存儲器，具有低功耗、無損讀取和快速重復寫入的優(yōu)勢。

鐵電材料目前已被廣泛應用在存儲器、壓電元件、傳感設備等電子器件。

然而，傳統(tǒng)鐵電材料會產(chǎn)生疲勞：隨著極化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，鐵電材料極化會減小，而導致其性能衰減，最終引發(fā)器件失效故障。

在全球范圍內(nèi)，鐵電材料的疲勞失效是各種電子設備出現(xiàn)故障的主要原因之一。

針對上述問題，中國科學院寧波材料技術(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、復旦大學相關團隊從鐵電疲勞產(chǎn)生的微觀原理入手，利用二維滑移鐵電結(jié)構(gòu)的獨特性，創(chuàng)制了一種無疲勞鐵電材料。

這一應用有望打破鐵電存儲器有限讀寫次數(shù)的限制，大大增加耐久性，從而能夠在深海探測、航空航天以及柔性可穿戴電子設備等方面執(zhí)行存儲、傳感、能量轉(zhuǎn)換等關鍵任務。

北京時間6月7日凌晨，前述研究成果在線發(fā)表在國際學術(shù)雜志《科學》（Science）上。

極化翻轉(zhuǎn)過程示意圖。

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。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)。

科研團隊研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)鐵電材料的晶體內(nèi)部存在很多缺陷。更關鍵的是，這些缺陷在“極化翻轉(zhuǎn)”傳播過程中會發(fā)生聚集，成為缺陷團簇，從而阻礙正常的“極化翻轉(zhuǎn)”，進而使得材料產(chǎn)生極化疲勞，器件發(fā)生不可逆的損壞。

一個小的缺陷聚集成“缺陷團簇”的過程，如同一顆顆小石子聚積成不可忽視的大礁石的過程。

如何避免“缺陷團簇”的形成呢？

科研團隊最終采取的解決辦法不是消除這些晶體中的缺陷，而是避免這些“缺陷”移動、聚集。但同時，又不能影響“極化翻轉(zhuǎn)”的發(fā)生和傳播。

他們想到了二維層狀滑移鐵電材料，用“層間滑移”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵電材料的“離子移動”。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)。

研究團隊首先通過理論計算，論證了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。

而在常規(guī)離子型鐵電材料中，在電場作用下，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。

新材料抗疲勞的原理是：層與層之間存在范德華間隙，如一堵墻把缺陷隔離開，使其無法移動；層內(nèi)部，由于沒有橫向電場，缺陷同樣無法移動。

研究團隊以雙層二硫化鉬為代表性材料，通過化學氣相輸送（CVT）法制備了雙層二硫化鉬鐵電器件，其厚度僅為納米級別。研究發(fā)現(xiàn)，在數(shù)百萬次循環(huán)電場翻轉(zhuǎn)極化以后，電學曲線測量表明鐵電極化并沒有發(fā)生衰減，抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)離子型鐵電材料。這意味著，使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲器，不僅基本沒有讀寫次數(shù)限制，超薄的厚度還可以大大提升其存儲密度。因此，對于深海探測或航空航天重大裝備領域而言，無疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料可極大提升設備可靠性，降低維護成本。

在評審意見中，一位審稿專家表示，“通過滑移鐵電機制來解決鐵電疲勞問題非常巧妙”。另一位審稿專家表示，“作者們展示了一種解決眾所周知的傳統(tǒng)鐵電材料性能下降的方法。顯然，滑移鐵電中極化翻轉(zhuǎn)的勢壘遠小于缺陷遷移勢壘，這一點被很成功地揭示了出來”。

中國科學院寧波材料所何日副研究員。

寧波材料所何日副研究員是前述最新發(fā)表論文的共同第一作者，寧波材料所為共同通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金和浙江省自然科學基金等項目的支持。