中国科学院宁波材料所一科研成果登上《Science》
很多人知道，电子设备的存储器读写几万次后，很可能会坏掉，影响极大。
坏掉的一个主要原因，是制备存储器的铁电材料出现疲劳失效，这也是存储、传感、驱动等电子设备出现故障的主要原因之一。
好消息是，中国科学院宁波材料所等单位联合创制出一种无疲劳铁电材料，有望实现存储器无限次数的读写。
今天，这一重要研究成果在国际顶级学术杂志《Science》上发表。
该研究文章题为《利用层间滑移翻转机制开发抗疲劳铁电材料》，由中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队联合电子科技大学、复旦大学相关团队完成。
该研究基于二维滑移铁电机制，创制了一种无疲劳铁电材料，为解决铁电材料的疲劳问题提供了全新途径。
记者注意到，这是去年8月以来，该所柔性磁电功能材料与器件团队在《Science》上发表的第二篇关于铁电材料研究的文章。
重要功能材料会疲劳失效
铁电材料是一种常见的功能材料，它在特定方向上可以发生极化翻转，从而实现“0”和“1”的数据存储、传感、驱动等功能。
因此，小到打火机、麦克风、耳机、存储器等，大到驱动器、能量转换器、减震器等，都离不开铁电材料，它也是制造航空动力诊断设备、火星岩石钻孔器、深海声呐设备等必不可少的材料之一。
然而，传统铁电材料会产生疲劳，即随着极化翻转次数的增加，铁电材料极化减小，导致其性能衰减，最终引发器件失效故障。
产生疲劳失效，与其原子结构息息相关。在传统铁电材料内部，有无数个晶格单元，它们都聚集了带电离子，同时也存在很多缺陷，这些带电离子在电场作用下移动，进而产生极化翻转。
极化翻转，如同海浪一般从材料一端传到另一端，在传播过程中，材料中的缺陷会移动并聚集，久而久之，就会形成成缺陷团簇，阻止传播，进而使得材料产生极化疲劳，使器件产生不可逆的损坏。
“这就像海浪卷起海水中的小石子，小石子会聚集成大礁石，阻止海浪的移动。”该文章共同第一作者、中国科学院宁波材料所副研究员何日说。
新型铁电材料存储器，读写次数无限制
铁电材料必不可少，但又会疲劳失效，问题怎么解？
在国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的支持助力下，中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队开展了科技攻关。
“滑移铁电材料具有抗疲劳特性。”针对传统铁电材料性能下降这一问题，何日和中国科学院宁波材料所研究员钟志诚通过理论计算，提出这一预言。
此后，他们联合电子科技大学、复旦大学相关团队基于滑移铁电机制，制备出了无疲劳的二维层状滑移铁电材料，并通过AI辅助的原子模拟，进一步阐明了该机制实现无铁电疲劳的原因。
经过研究发现，在400万次循环电场极化翻转以后，电学曲线测量表明，铁电极化并没有发生任何衰减，抗疲劳性能明显优于传统离子型铁电材料。
“这意味着，以存储器为例，使用传统离子型铁电材料（例如锆钛酸铅PZT）的存储器一般可读写几万次，而使用新型二维层状滑移铁电材料的存储器则无读写次数限制。”何日说。
因此，对于深海探测或航空航天重大装备领域而言，无疲劳的新型二维层状滑移铁电材料可极大提升设备的可靠性，降低维护成本。
甬派客户端宁波日报记者成良田实习生金宇涵通讯员高晓静