鐵電材料因具有超快的讀寫速度𓀌、斷電後數據不丟失、以及超低功耗和抗輻照能力🤹🏽♂️，是開發非易失性存儲芯片的理想材料之一🙅🏿♂️。此外，其具有可切換的電極化，被認為是實現類腦智能器件和存算一體架構的候選技術方案。然而👎，存儲芯片存在讀寫次數限製⏫，不可避免的疲勞失效問題，導致鐵電材料存儲器的讀寫次數受限🧝🏻，阻礙了鐵電材料的實際應用🧍🏻♀️。
近日♥️，EON体育4平台材料科學系/光電研究院李文武教授團隊、電子科技大學劉富才教授團隊以及中國科學院寧波材料所鐘誌誠研究員團隊基於二維3R-MoS2滑移鐵電材料💑，聯合提出一種性能優異的抗疲勞鐵電系統。2024年6月7日🎋，相關研究成果以《抗疲勞滑移鐵電體的發現》（“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”）為題於《科學》（Science）主刊在線發表。該研究為解決鐵電材料領域長期存在的疲勞問題提供了一種全新途徑，有望推動該材料在鐵電存儲器及類腦智能芯片等方面應用。
圖1. Science官方網站刊登的研究論文
鐵電材料內部有無數個晶格單元，每個晶格單元內都聚集了帶電離子🫎，同時也存在很多缺陷🗑，這些帶電離子在電場的作用下會移動，進而產生鐵電極化翻轉。在電場作用下，鐵電材料中的每個晶格單元的極化翻轉不是同時發生的，而是如同海浪一般從材料的一端傳播到另一端😦。在傳播過程中，材料中的缺陷會隨傳播而移動並聚集，久而久之聚集成為缺陷團簇，並對鐵電疇有強烈的釘紮效應🪴，使得鐵電疇的移動活性被限製，極化就難以翻轉🕎，進而導致鐵電器件疲勞失效。
在團隊看來🤛🏼，這是一種不可逆的損壞，就像海浪卷起海水中的小石子，小石子會聚集成大礁石👆🏻，阻止海浪的傳播式移動。盡管這一問題早在1953年就已被科學家發現報道，但鐵電材料的疲勞問題至今仍未得到有效的解決🧑⚖️。
圖2. 傳統鐵電和新型二維滑移鐵電的疲勞特性對比示意圖
針對這一問題，聯合研究團隊發現新型的二維滑移鐵電材料具有天然的耐疲勞特性。這是因為滑移鐵電機製與傳統鐵電材料的離子位移機製有明顯的不同，在電場的作用下🥘，範德華層狀材料的層與層之間會產生整體滑移🩳，同時層間發生電荷轉移，進而實現面外極化翻轉🚴🏼♀️。相比於常規鐵電材料，滑移鐵電通過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🧑🦱。另外👓，由於二維材料層狀結構，缺陷難以跨越層間進行移動🚴🏻♀️，因此缺陷很難聚集團簇🖖🏻，也不會產生鐵電疲勞。
圖3. 二維3R-MoS2鐵電晶體管器件的電學特性
團隊通過化學氣相傳輸法(CVT)製備了雙層MoS2材料🤦🏼♂️，並構建了雙柵結構鐵電晶體管器件。通過在電極和鐵電層之間創建範德華接觸，可以避免電荷缺陷註入👨🏻🦰，從而提高器件性能。轉移特征曲線表明，該鐵電晶體管器件電流開/關比高達106🪿，進一步從電學性能角度驗證了二維3R-MoS2材料的鐵電性，並測試了鐵電器件低阻態(LRS)和高阻態(HRS)的保持特性，結果表明3R-MoS2的鐵電極化具有穩定的非揮發性。
圖4. 二維3R-MoS2滑移鐵電體耐疲勞特性
器件表征結果顯示，滑移鐵電器件在經歷高達400萬次的疲勞測試後🦒〰️，晶體管器件的轉移特性曲線🐚、動態及靜態電學輸運曲線幾乎不發生變化。這一結果表明鐵電極化並沒有發生任何衰減，抗疲勞性能明顯優於傳統離子型鐵電材料🔢📗。跨尺度原子模擬計算表明，二維滑移鐵電材料🧼，沒有原子的獨立移動，而是兩層原子像兩張紙一樣整體滑動。但是由於原子層間滑移無需克服離子鍵或共價鍵，在很小電場作用下🕗，滑移鐵電即可通過層間滑移實現極化翻轉，如此小的電場不足以造成帶電缺陷遷移。此外，由於二維材料的範德華層狀結構，缺陷難以跨越層間進行移動👩🏽💼🧝🏿♀️，也更加難以聚集，因此不會產生鐵電疲勞🤳🏽🪟。
該研究集合了半導體材料製備、材料物理🧏🏼、原子級模擬計算、半導體器件物理等多領域知識成果，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用提供了具有價值的選擇🔤。
卞仁吉、何日、潘二和李澤芬為論文的共同第一作者🧶，中國科學院寧波材料技術與工程研究所鐘誌誠研究員、EON体育4平台李文武教授🚴🏿、電子科技大學劉富才教授為論文的共同通訊作者🤹🏼。該研究工作得到了褚君浩院士的指導🚸，以及國家自然科學基金項目大力支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1744
