無疲勞鐵電材料創(chuàng)制?有望實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器無限次數(shù)擦寫
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】作為一類常見的功能材料，鐵電材料因晶體正負(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)，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。近年來，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)。然而，傳統(tǒng)的鐵電材料存在一個(gè)嚴(yán)重的問題，即隨著極化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，其極化會(huì)逐漸減小，性能逐漸衰減，最終導(dǎo)致器件失效。這種現(xiàn)象被稱為鐵電疲勞，是制約鐵電材料應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。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)。
為了解決這一問題，中國科學(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)，提出了一種全新的解決方案：利用層間滑移機(jī)制創(chuàng)制無疲勞鐵電材料。這種材料在電場(chǎng)的作用下，其層間能夠相對(duì)滑移，從而實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的離子位移機(jī)制不同，層間滑移機(jī)制所需的電場(chǎng)較小，且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)的特性，缺陷難以跨越層間移動(dòng)，因此不會(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)器無讀寫次數(shù)限制。因此，無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。
該研究的成功對(duì)于鐵電材料在存儲(chǔ)器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。傳統(tǒng)的鐵電存儲(chǔ)器由于存在疲勞問題，其讀寫次數(shù)受到限制，難以滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)高可靠性、長(zhǎng)壽命的需求。而新型的無疲勞鐵電材料則有望解決這一問題，實(shí)現(xiàn)無限次數(shù)的擦寫操作，從而大大提高存儲(chǔ)器的性能和可靠性。
此外，該研究的成功也為鐵電材料的未來應(yīng)用拓展了新的領(lǐng)域。除了存儲(chǔ)器之外，鐵電材料還可以應(yīng)用于傳感器、驅(qū)動(dòng)器、能量轉(zhuǎn)換器等多種電子設(shè)備中。隨著無疲勞鐵電材料的研發(fā)成功，這些設(shè)備的性能和可靠性也將得到進(jìn)一步提升。
相關(guān)研究成果Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching于近日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等的支持。
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