6月7日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所柔性磁電功能(néng)材料與器件團隊聯合電子科技大學(xué)、複旦大學(xué)相關團隊在國(guó)際學(xué)術雜志Science上發(fā)表了題爲“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”的研究文章（DOI：10.1126/science.ado1744）。該項研究基于二維滑移鐵電機制，創制了一種(zhǒng)無疲勞的鐵電材料，爲解決鐵電材料的疲勞問題提供了全新途徑。甯波材料所何日副研究員與鍾志誠研究員承擔了該項目中所有第一性原理計算與分子動力學(xué)模拟工作，通過(guò)理論預言了滑移鐵電抗疲勞特性，并最終爲揭示滑移鐵電抗疲勞特性的微觀物理起(qǐ)源作出了決定性貢獻。

鐵電材料是一種(zhǒng)常見的功能(néng)材料，因其晶體正負電荷中心不重合，産生電偶極矩，從而具有自發(fā)電極化的性質，并能(néng)夠被(bèi)外場所調控。然而，以商用最廣的锆钛酸鉛（PZT）爲代表的傳統鐵電材料在使用過(guò)程中會發(fā)生鐵電疲勞，即随著(zhe)極化在外場下翻轉次數的增加，電極化會減小導緻性能(néng)衰減，最終引發(fā)器件失效故障。在全球範圍内，鐵電疲勞失效是各類電子設備發(fā)生故障的主要原因之一。尤其是近年來, 在航空航天、深海探測等重大技術裝備領域，利用鐵電材料制備的各類器件常被(bèi)用于在高溫高壓、高頻震動、高強磁場、高強輻射等複雜環境下執行存儲、傳感、驅動、能(néng)量轉換等關鍵任務，鐵電器件在外場的反複加載下會逐漸發(fā)生疲勞失效，因此對(duì)鐵電材料的抗疲勞特性進(jìn)行優化和設計，是保障設備可靠性的基礎。

鐵電材料的疲勞普遍被(bèi)認爲是由帶電荷缺陷導緻的。鐵電材料的極化翻轉依賴于鐵電疇界的移動。鐵電材料在循環外場反複加載過(guò)程中，電極化翻轉，帶電缺陷也會随著(zhe)移動，久而久之缺陷就會聚集成(chéng)團簇。缺陷團簇能(néng)夠強烈釘紮疇界，使其難以移動。一旦疇界被(bèi)釘紮住，極化就會難以翻轉，進(jìn)而導緻器件疲勞失效。

針對(duì)這(zhè)一問題，甯波材料所柔性磁電功能(néng)材料與器件團隊何日副研究員與鍾志誠研究員通過(guò)理論計算預言了滑移鐵電材料的抗疲勞特性，并聯合電子科技大學(xué)劉富才教授團隊、複旦大學(xué)李文武教授團隊基于滑移鐵電機制，制備出了無疲勞二維層狀滑移鐵電材料，研究人員進(jìn)一步通過(guò)AI輔助的跨尺度原子模拟，闡明了該機制實現抗鐵電疲勞的微觀起(qǐ)源。二維滑移鐵電機制與傳統鐵電材料的離子位移機制不同，在電場的作用下，二維材料層與層之間會産生整體滑移，同時層間會發(fā)生電荷轉移，進(jìn)而實現面(miàn)外極化翻轉。通過(guò)理論計算發(fā)現，相比于常規鐵電材料，滑移鐵電通過(guò)層間滑移實現極化翻轉所需電場較小，如此小的電場不足以使帶電缺陷移動。并且由于二維材料層狀結構，缺陷難以跨越層間進(jìn)行移動，因此缺陷不會聚集，也不會産生鐵電疲勞，如圖1所示。

研究團隊以雙層MoS₂二維材料爲代表性材料，通過(guò)化學(xué)氣相輸送（CVT）法制備了雙層MoS₂鐵電器件。研究發(fā)現，在百萬次循環電場翻轉極化以後(hòu)，電學(xué)曲線測量表明，鐵電極化并未發(fā)生衰減，如圖2所示，其抗疲勞性能(néng)明顯優于傳統離子型鐵電材料。這(zhè)意味著(zhe)，以存儲器爲例，使用新型二維滑移鐵電材料制備的鐵電存儲器無讀寫次數的限制。因此對(duì)于深海探測或航空航天重大裝備領域而言，無疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料有望極大提升設備可靠性，降低維護成(chéng)本。

甯波材料所鍾志誠研究員、複旦大學(xué)李文武教授和電子科技大學(xué)劉富才教授爲論文共同通訊作者，電子科技大學(xué)卞仁吉博士生、甯波材料所何日副研究員、電子科技大學(xué)潘二和李澤芬博士生爲共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（12204496、51931011）和浙江省自然科學(xué)基金（No. Q23A040003）等項目的支持。

圖1 常規鐵電材料和二維滑移鐵電材料疲勞特性的對(duì)比

圖2 3R-MoS₂鐵電器件的疲勞特性電學(xué)表征。（A）（B）相同的底栅極和頂栅極轉移曲線表明晶體管性能(néng)的高可靠性；（C）（D）動态和靜态的鐵電電輸運測量曲線，表明優秀的抗疲勞特性；（E）不同脈沖寬度和周期數下的電阻比；（F）3R-MoS₂滑移鐵電與其他典型鐵電器件的厚度和疲勞特性對(duì)比

（磁性材料與器件重點實驗室  何日）