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基于双层二硫化钼滑(hua)移铁电材料制备的场效应晶体管器件。
晶体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种“行为(wei)”，可以帮助科(ke)学家研发出“抗疲劳”材料。
铁电材料虽然名字中有“铁”，但实际上和金属“铁”一点关系都没有。这里的“铁电”是指一种绝(jue)缘材料。在外加电场的作用下，它的电荷能够重排产生电极化。即使撤掉电场，排列后(hou)的电荷依然能保持原(yuan)状，也就是存在记忆功能。
铁电材料像十多年前常见的卡式磁(ci)带上的材料一样，可以被用作非易失性(xing)存储器，具有低功耗、无损读取和快速重复写入的优(you)势。
铁电材料目前已被广泛应用在存储器、压电元件、传感设(she)备等电子器件。
然而，传统(tong)铁电材料会产生疲劳：随着极化翻(fan)转次数的增加，铁电材料极化会减小，而导致其性(xing)能衰减，最终引发器件失效故障。
在全球范围内，铁电材料的疲劳失效是各种电子设(she)备出现(xian)故障的主要原(yuan)因之一。
针对上述问题，中国科(ke)学院宁(ning)波材料技(ji)术与(yu)工程研究所柔性(xing)磁(ci)电功能材料与(yu)器件团队联合电子科(ke)技(ji)大学、复旦大学相关团队从铁电疲劳产生的微观原(yuan)理入手，利(li)用二维(wei)滑(hua)移铁电结(jie)构的独特性(xing)，创制了一种无疲劳铁电材料。
这一应用有望打破铁电存储器有限(xian)读写次数的限(xian)制，大大增加耐(nai)久性(xing)，从而能够在深海(hai)探测、航空航天以及(ji)柔性(xing)可穿戴电子设(she)备等方(fang)面执行存储、传感、能量转换(huan)等关键任务。
北(bei)京时间6月7日凌晨，前述研究成果在线(xian)发表在国际学术杂志《科(ke)学》（Science）上。
极化翻(fan)转过程示意图。
传统(tong)铁电材料的内部，有无数个晶格(ge)单元，每个晶格(ge)单元内都聚集了带电离子。这些带电离子在电场的作用下会移动，进而产生极化翻(fan)转。
科(ke)研团队研究发现(xian)，传统(tong)铁电材料的晶体内部存在很多缺陷。更关键的是，这些缺陷在“极化翻(fan)转”传播过程中会发生聚集，成为(wei)缺陷团簇(cu)，从而阻碍正常的“极化翻(fan)转”，进而使得材料产生极化疲劳，器件发生不可逆的损坏。
一个小的缺陷聚集成“缺陷团簇(cu)”的过程，如同一颗颗小石子聚积成不可忽视的大礁石的过程。
如何避免“缺陷团簇(cu)”的形成呢？
科(ke)研团队最终采取的解决办法不是消除这些晶体中的缺陷，而是避免这些“缺陷”移动、聚集。但同时，又不能影响“极化翻(fan)转”的发生和传播。
他(ta)们想到了二维(wei)层状滑(hua)移铁电材料，用“层间滑(hua)移”来代替传统(tong)铁电材料的“离子移动”。在电场的作用下，层与(yu)层之间会产生滑(hua)移，同时层间发生电荷转移，进而产生极化翻(fan)转。
研究团队首先通过理论计算，论证(zheng)了由于无需克服离子间的共(gong)价键，所以极化翻(fan)转所需外加电场较小，不足以让缺陷移动，而且由于二维(wei)层状的结(jie)构，使得缺陷难以跨越层间移动，所以缺陷更加不会聚集，也不会产生铁电疲劳。
而在常规离子型铁电材料中，在电场作用下，铁电材料中的每个晶格(ge)单元的极化翻(fan)转不是同时发生的，而是如同海(hai)浪一般从材料的一端传播到另一端。传播过程中，材料中缺陷会移动并聚集。
新(xin)材料抗疲劳的原(yuan)理是：层与(yu)层之间存在范德华间隙，如一堵(du)墙把(ba)缺陷隔离开，使其无法移动；层内部，由于没有横向电场，缺陷同样无法移动。
研究团队以双层二硫化钼为(wei)代表性(xing)材料，通过化学气(qi)相输送（CVT）法制备了双层二硫化钼铁电器件，其厚度仅为(wei)纳米级别。研究发现(xian)，在数百万次循环(huan)电场翻(fan)转极化以后(hou)，电学曲线(xian)测量表明铁电极化并没有发生衰减，抗疲劳性(xing)能明显优(you)于传统(tong)离子型铁电材料。这意味着，使用新(xin)型二维(wei)层状滑(hua)移铁电材料的存储器，不仅基本没有读写次数限(xian)制，超薄(bao)的厚度还(hai)可以大大提升其存储密度。因此，对于深海(hai)探测或航空航天重大装备领域而言，无疲劳的新(xin)型二维(wei)层状滑(hua)移铁电材料可极大提升设(she)备可靠(kao)性(xing)，降低维(wei)护成本。
在评审意见中，一位审稿(gao)专家表示，“通过滑(hua)移铁电机制来解决铁电疲劳问题非常巧妙”。另一位审稿(gao)专家表示，“作者(zhe)们展示了一种解决众所周知的传统(tong)铁电材料性(xing)能下降的方(fang)法。显然，滑(hua)移铁电中极化翻(fan)转的势垒远小于缺陷迁移势垒，这一点被很成功地(di)揭示了出来”。
中国科(ke)学院宁(ning)波材料所何日副研究员。
宁(ning)波材料所何日副研究员是前述最新(xin)发表论文的共(gong)同第一作者(zhe)，宁(ning)波材料所为(wei)共(gong)同通讯单位。该工作得到了国家自(zi)然科(ke)学基金和浙(zhe)江省(sheng)自(zi)然科(ke)学基金等项目的支持。