北京時間2024年6月7日，電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院劉富才教授團隊在全球頂級學(xué)術(shù)期刊Science《科學(xué)》上以First Release形式在線發(fā)表了題為“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”最新研究成果。
電子科技大學(xué)為第一完成單位，劉富才教授為共同通訊作者，光電科學(xué)與工程學(xué)院的博士生卞仁吉、潘二和李澤芬為共同第一作者；重要合作參與者，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所鐘志誠研究員、復(fù)旦大學(xué)李文武教授為共同通訊作者。該研究在材料表征方面得到電子科技大學(xué)分析測試中心的大力支持。
該研究依據(jù)新穎的二維滑移鐵電機制，提出一種性能優(yōu)異的抗疲勞鐵電體系，為解決鐵電材料領(lǐng)域長期存在的疲勞問題提供了一種全新途徑，有望推動鐵電存儲及類腦智能器件方面應(yīng)用。
圖1傳統(tǒng)鐵電和新型滑移鐵電的疲勞特性對比示意圖
近年來，大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人們對算力的需求激增，而傳統(tǒng)芯片采用馮諾依曼架構(gòu)，其存儲單元與計算單元的分離，從根本上限制了芯片計算速度和能效的進一步提升。構(gòu)筑存算一體架構(gòu)的類腦智能芯片被認為是應(yīng)對當前問題和挑戰(zhàn)的有效解決途徑。鐵電材料具有可通過外場進行調(diào)控的自發(fā)極化，被認為是實現(xiàn)類腦智能器件和存算一體架構(gòu)的理想材料體系。實現(xiàn)穩(wěn)鍵可重復(fù)的“讀”和“寫”循環(huán)操作是鐵電器件應(yīng)用的必要前提。然而，鐵電材料在經(jīng)歷反復(fù)極化切換后，極化只能實現(xiàn)部分翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鐵電材料失效，即鐵電疲勞。這是因為當鐵電材料在外場循環(huán)加載過程中，電極化翻轉(zhuǎn)的同時伴隨了缺陷電荷的遷移。在外場長時加載下缺陷會進一步聚集成團簇，而缺陷團簇對鐵電疇有強烈的釘扎效應(yīng)，使得鐵電疇的移動活性被限制。一旦疇界被釘扎住，極化就難以翻轉(zhuǎn)，進而導(dǎo)致鐵電器件疲勞失效（圖1A）。雖然這一問題早在1953年就已被研究者發(fā)現(xiàn)報道，但至今鐵電材料的疲勞問題仍未得到有效的解決。
圖2 滑移鐵電體耐疲勞特性表征
針對這一問題，劉富才教授研究團隊發(fā)現(xiàn)新型的滑移鐵電體具有天然的耐疲勞特性。這是因為滑移鐵電機制與傳統(tǒng)鐵電材料的離子位移機制有明顯的不同，在電場的作用下，范德華層狀材料的層與層之間會產(chǎn)生整體滑移，同時層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進而實現(xiàn)面外極化翻轉(zhuǎn)（圖1B）。器件表征結(jié)果顯示滑移鐵電器件在經(jīng)歷高達百萬次的疲勞測試后，器件的轉(zhuǎn)移特性曲線、動態(tài)及靜態(tài)電學(xué)輸運曲線幾乎不發(fā)生變化。這一結(jié)果充分證明滑移鐵電器件的優(yōu)異的抗疲勞特征（圖2）?？绯叨仍幽M計算表明，相比于常規(guī)鐵電材料，在很小電場作用下滑移鐵電即可通過層間滑移實現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)，如此小的電場不足以造成帶電缺陷遷移。此外，由于二維材料的范德華層狀結(jié)構(gòu)，缺陷難以跨越層間進行移動，也更加難以聚集，因此不會產(chǎn)生鐵電疲勞。該項研究成果為解決鐵電材料疲勞問題提供了理想解決方案，也為鐵電材料在非易失性存儲器、存算一體器件及類腦計算芯片等新穎器件中的應(yīng)用提供了具有競爭潛力的選擇。
團隊合影（從左至右分別為潘二 卞仁吉 劉富才 李澤芬）
該研究得到了國家自然科學(xué)基金，國家重點研發(fā)計劃，四川省科技計劃等項目的大力支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1744
作者簡介：
劉富才，電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授、國家級青年人才、四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人。聚焦新型低維半導(dǎo)體材料與新原理器件研究，在國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、四川省科技計劃等基金支持下，在二維鐵電新物理、新原理器件方向做出系列原創(chuàng)性成果。以第一/通訊作者（含共同作者）在Science，Science Advances，Nature Communications （4篇）等期刊發(fā)表論文60余篇，研究成果被Nature Review Materials等亮點報道。
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