中国科学家开发出‘无疲劳铁电材料’！存储芯片擦写寿命突破无限可能！

【科学背景】

随着信息技术的迅猛发展，非挥发性存储器件对于数据存储和处理能力的需求日益增长。铁电材料因其可切换的自发极化特性，在铁电场效应晶体管（FeFET）、铁电隧道结（FTJ）和类脑计算机等领域中备受关注。然而，传统铁电材料如Pb(Zr,Ti)O3（PZT）、BiFeO3（BFO）、BaTiO3（BTO）等存在严重的铁电疲劳问题，即随着极化反转周期的增加，器件性能显著下降。这一现象阻碍了这些材料在实际应用中的广泛使用。

铁电疲劳的根本原因尚未完全理解，微观模型表明电荷缺陷在其中起到了负面作用，例如阻止铁电畴壁的传播，从而导致极化损失。尽管一些方法已被提出以减轻铁电疲劳，如引入金属氧化物作为电极、高温退火和紫外线照射，但这些方法仍未能从根本上解决问题。

为了克服传统铁电材料的疲劳问题，科学家们开始探索具有不同切换机制的新型铁电材料系统。近年来，滑移铁电性在二维材料如六方氮化硼（h-BN）、二硫化钼（MoS2）、二碲化钼（MoTe2）和特别是3R-二硫化钼（3R-MoS2）中被发现，并引起了广泛关注。这种铁电性质的特殊之处在于，它是由于相邻层的相对平面运动导致的，而不是传统的离子位移机制。这种运动的能量障碍极低，电荷缺陷（如硫空位）的移动严格限制在平面内，不会影响到铁电极化的强度。

有鉴于此，电子科技大学刘富才、复旦大学李文武及中国科学院宁波材料技术与工程研究所钟志诚共同通讯合作以3R-二硫化钼为例，展示了滑移铁电的抗疲劳特性。研究发现，无论施加何种脉冲宽度的电压，3R-二硫化钼的极化切换相关的记忆特性几乎保持不变，即使在长达105秒的应力时间下也是如此。理论计算进一步揭示了其无疲劳性能的机制，即由于超低的切换势垒和强大的平面内刚度，电荷缺陷无法聚集以钉住铁电畴壁运动。

【科学亮点】

（1）实验首次揭示了滑移铁电性质的新发现，基于3R-二硫化钼（3R-MoS2）构建了一种无疲劳的铁电系统。

（2）实验通过以下几点验证和分析，得出了以下结果：

• 铁电疲劳问题是传统铁电材料长期面临的挑战，限制了其在高性能存储器件中的应用。

• 滑移铁电性质的独特机制允许相邻层之间的相对平面运动，有效地避免了电荷缺陷钉扎效应，从而实现了极化切换的无疲劳特性。

• 通过对3R-MoS2的实验验证，无论应用何种脉冲宽度的电压扫描，其极化切换与记忆特性几乎不受影响，长时间应力测试也未观察到明显的疲劳效应。

• 理论计算表明，3R-MoS2具有极低的切换势垒和强大的平面内刚度，使得电荷缺陷难以聚集并固定在畴壁运动过程中，进一步支持了其无疲劳性能。

【科学图文】

图1：常规铁电体与滑动铁电体受力后的区别。

图2. 3R-MoS2器件的电特性。

图3. 3R-MoS2器件的疲劳特性。

图4. 3R-MoS2抗疲劳理论分析。

图5. 3R-MoS2器件的超快开关。

【科学结论】

本文揭示了滑移铁电性质作为一种新型铁电材料系统的潜力和优势。传统铁电材料由于疲劳效应限制了其长期稳定的应用，而滑移铁电性质通过其特殊的极化切换机制，成功避免了这一问题。研究发现，滑移铁电性质在极化切换过程中电荷缺陷不会聚集固定极化，且具有极低的切换势垒，这使得其表现出了显著的抗疲劳特性，与脉冲宽度无关。这一发现不仅深化了对铁电材料本质的理解，还为铁电存储器件和类脑智能器件的设计与优化提供了新的思路和可能性。未来，可以进一步探索滑移铁电性质在其他二维和层状材料中的应用潜力，以及其在更广泛领域内的工程应用，例如高性能电子器件和量子信息处理。这些研究成果将有助于推动铁电技术的进步，为下一代电子设备的发展打开新的科学与技术前景。

文献信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1744