众所周知，存储芯片存在读写次数限制，在读写次数超过一定数值时稳定性直线下降，随时可能“掉盘”，究其原因，是由于制备存储芯片的铁电材料存在“铁电疲劳”效应。
事实上，铁电材料具有低功耗、无损读取、快速重复写入等优异特性，是开发非易失性存储芯片的理想材料之一。此外，基于铁电材料制备的各种芯片器件（比如存储器、传感器、能量转换器等）已经应用在强辐射、强磁场、高频震动、高温高压等的航空航天、深海探测等极端环境中。
正如开头所提到的“掉盘”，铁电材料出现“疲劳”问题还会导致各种器件的性能骤降乃至完全失效。目前，铁电疲劳已经成为制约铁电材料进一步研发、限制其更广泛应用的主要瓶颈。
近日，由中国科学院宁波材料技术与工程研究所钟志诚、电子科技大学刘富才和复旦大学李文武领导的研究团队，基于二维滑移铁电机制开发出一种无疲劳的新型铁电材料，使用该材料制备的铁电存储芯片有望实现无限次数读写，同时还为解决“铁电疲劳”带来了新策略，在电子科技领域展现出广泛应用前景。
目前，这项研究成果已经以“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”（利用二维滑移铁电机制开发抗疲劳铁电材料）为题发表在 Science 上。
图｜（来源：Science）
在电气领域，作为一种常见的功能材料，铁电材料由于晶体正负电荷中心不重合可产生电偶极矩，具有自发的自旋极化的特性，能够被外部电场调控翻转。
基于这种特性（极化翻转实现 0 和 1 的数据存储），铁电材料可用于开发高密度非易失性存储芯片，比如，铁电场效应晶体管（FeFET）、铁电隧道结（FTJ）以及神经计算芯片器件等。
加之随着 AI、物联网等的崛起，业界对铁电材料的需求也在不断激增，未来铁电材料将在可穿戴设备、柔性电子技术等领域发挥更大作用。
然而，铁电材料往往存在“铁电疲劳”效应，以现阶段应用较为广泛的锆钛酸铅（PZT）铁电材料为例，极化在外部电场下翻转，经历反复极化翻转后，极化逐渐减少只能实现部分翻转，导致性能衰减，最终完全失效。
目前，铁电疲劳已经成为当今相关电子设备芯片器件出现故障、失效的主要原因之一，对铁电材料的抗疲劳特性进行改进和优化是保障芯片器件稳定的基础。
然而，经过了数十年的研究，这种“铁电疲劳”效应的起源仍未完全探明。业界主流观点认为，铁电材料产生疲劳与其晶体原子结构相关，是由于“带电荷缺陷”引发的。
具体而言，铁电材料的极化翻转依赖于铁电畴界的移动，铁电材料在循环外部电场反复加载过程中电极化翻转，带电荷缺陷也会随之移动，随着时间的积累缺陷会逐渐聚集成团簇，其能够钉扎畴界（晶体中化学组成和晶体结构相同的各个局部范畴之间的边界）使其难以移动，导致极化难以翻转，进而引发芯片器件疲劳和失效。
对此，研究人员打比方称，“就像是海浪卷起海水中的小石头，逐渐聚集变成大礁石，最终阻碍了海浪的流动。”
图｜传统铁电材料和二维滑移铁电材料的疲劳特性（来源： Science）
在这项研究中，中国科学院宁波材料技术与工程研究所钟志诚和团队基于铁电疲劳效应的起源提出，采用“层间滑移”来替代传统离子型铁电材料的“离子移动”，他们通过理论计算预测“滑移铁电材料”具有抗疲劳特性。
随后，他们联合电子科技大学刘富才团队、复旦大学李文武团队，围绕这种“滑移铁电”机制设计制备出一种新型的二维层状滑移铁电材料（3R-MoS₂）。
紧接着，该联合团队基于 AI 辅助的跨尺度原子模拟分析“滑移铁电”机制能够抗铁电疲劳的微观物理起源。
他们发现，与传统离子型铁电材料的离子位移不同，二维滑移铁电材料在电场的作用下层与层之间会产生整体滑移，与此同时，层间会发生电荷转移并实现面外极化翻转。
图｜3R-MoS₂ 铁电器件的抗疲劳性能分析（来源：Science）
他们通过理论计算进一步分析发现，由于不需要克服离子间的共价键，这种二维滑移铁电材料通过层间滑移实现极化翻转所需的电场，比传统铁电材料所需的电场更小，以至于较小电场难以使带电荷缺陷移动。
更为重要的是，由于这种二维滑移铁电材料是层状结构，电荷缺陷也难以跨越层间进行移动，因此电荷缺陷无法聚集成团簇，进而不会产生铁电疲劳现象。
接下来，他们以这种二维层状滑移铁电材料为基础，采用化学气相输送技术（CVT）制备出厚度仅为纳米级别的双层 3R-MoS₂ 铁电芯片器件。
图｜3R-MoS₂ 铁电器件的疲劳特性（来源：Science）
试验表明，这种铁电芯片器件在经历了 400 万次循环电场翻转极化后，电学曲线测量显示铁电极化仍然没有出现衰减，证明其抗疲劳能力要优于传统铁电材料，此外，在不同的脉冲宽度下其内存性能在低循环时没有表现出“唤醒效应”。
研究人员表示，基于这种二维层状滑移铁电材料制备的存储芯片，理论上可以实现无限次数的擦写，由于没有读写次数限制，能够大幅提升芯片器件的可靠性、耐久性，同时有效降低成本。除此之外，基于该新型材料制备的存储芯片的厚度仅为纳米级别，可以大幅提升存储密度，兼具无限次读写、大容量、稳定等特性，未来将应用于重大技术装备领域。
参考资料：
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1744
2.https://www.nimte.ac.cn/news/progress/202406/t20240604_7184093.html
3.https://www.cas.cn/syky/202406/t20240606_5020784.shtml
4.https://teacher.ucas.ac.cn/~zhong
5.https://sose.uestc.edu.cn/info/1022/1914.htm
6.https://mse.fudan.edu.cn/3f/10/c23099a409360/page.htm
