基于雙層二硫化鉬滑移鐵電材料制備的場(chǎng)效應(yīng)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(xué)家研發(fā)出“抗疲勞”材料。

鐵電材料雖然名字中有“鐵”，但實(shí)際上和金屬“鐵”一點(diǎn)關(guān)系都沒(méi)有。這里的“鐵電”是指一種絕緣材料。在外加電場(chǎng)的作用下，它的電荷能夠重排產(chǎn)生電極化。即使撤掉電場(chǎng)，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(jiàn)的卡式磁帶上的材料一樣，可以被用作非易失性存儲(chǔ)器，具有低功耗、無(wú)損讀取和快速重復(fù)寫(xiě)入的優(yōu)勢(shì)。

鐵電材料目前已被廣泛應(yīng)用在存儲(chǔ)器、壓電元件、傳感設(shè)備等電子器件。

然而，傳統(tǒng)鐵電材料會(huì)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(huì)減小，而導(dǎo)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(shè)備出現(xiàn)故障的主要原因之一。

針對(duì)上述問(wèn)題，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)相關(guān)團(tuán)隊(duì)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(dú)特性，創(chuàng)制了一種無(wú)疲勞鐵電材料。

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

北京時(shí)間6月7日凌晨，前述研究成果在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》（Science）上。

極化翻轉(zhuǎn)過(guò)程示意圖。

傳統(tǒng)鐵電材料的內(nèi)部，有無(wú)數(shù)個(gè)晶格單元，每個(gè)晶格單元內(nèi)都聚集了帶電離子。這些帶電離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。

科研團(tuán)隊(duì)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(guān)鍵的是，這些缺陷在“極化翻轉(zhuǎn)”傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生聚集，成為缺陷團(tuán)簇，從而阻礙正常的“極化翻轉(zhuǎn)”，進(jìn)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(gè)小的缺陷聚集成“缺陷團(tuán)簇”的過(guò)程，如同一顆顆小石子聚積成不可忽視的大礁石的過(guò)程。

如何避免“缺陷團(tuán)簇”的形成呢？

科研團(tuán)隊(duì)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(dòng)、聚集。但同時(shí)，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(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵電材料的“離子移動(dòng)”。在電場(chǎng)的作用下，層與層之間會(huì)產(chǎn)生滑移，同時(shí)層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)理論計(jì)算，論證了由于無(wú)需克服離子間的共價(jià)鍵，所以極化翻轉(zhuǎn)所需外加電場(chǎng)較小，不足以讓缺陷移動(dòng)，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(dòng)，所以缺陷更加不會(huì)聚集，也不會(huì)產(chǎn)生鐵電疲勞。

而在常規(guī)離子型鐵電材料中，在電場(chǎng)作用下，鐵電材料中的每個(gè)晶格單元的極化翻轉(zhuǎn)不是同時(shí)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(guò)程中，材料中缺陷會(huì)移動(dòng)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(kāi)，使其無(wú)法移動(dòng)；層內(nèi)部，由于沒(méi)有橫向電場(chǎng)，缺陷同樣無(wú)法移動(dòng)。

研究團(tuán)隊(duì)以雙層二硫化鉬為代表性材料，通過(guò)化學(xué)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(jí)別。研究發(fā)現(xiàn)，在數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)極化以后，電學(xué)曲線測(cè)量表明鐵電極化并沒(méi)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(chǔ)器，不僅基本沒(méi)有讀寫(xiě)次數(shù)限制，超薄的厚度還可以大大提升其存儲(chǔ)密度。因此，對(duì)于深海探測(cè)或航空航天重大裝備領(lǐng)域而言，無(wú)疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料可極大提升設(shè)備可靠性，降低維護(hù)成本。

在評(píng)審意見(jiàn)中，一位審稿專(zhuān)家表示，“通過(guò)滑移鐵電機(jī)制來(lái)解決鐵電疲勞問(wèn)題非常巧妙”。另一位審稿專(zhuān)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(shì)壘遠(yuǎn)小于缺陷遷移勢(shì)壘，這一點(diǎn)被很成功地揭示了出來(lái)”。

中國(guó)科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。