近年来，新兴的铁电材料因为具有超快读写速度、超低功耗和很好的抗辐射能力，被越来越多地应用于卫星存储器等复杂场景。但因制造成本高、存储密度低等劣势，这种材料的商业发展前景颇为受限。其中的疲劳失效问题，导致铁电材料存储器的读写次数仅为几万次。

　　为此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）联合电子科技大学、复旦大学相关团队，基于二维滑移铁电机制，共同研制了一种无疲劳的铁电材料。

极化翻转机制导致疲劳失效

　　铁电材料是一种常见的功能材料，小到打火机、麦克风、耳机、存储器等，大到驱动器、能量转换器、滤波器、制动器、减震器等都离不开它。这种材料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。

　　铁电材料虽然名字中有“铁”，但实际上和金属“铁”一点关系都没有。这里的“铁电”是指一种绝缘材料。在外加电场的作用下，它的电荷能够重排产生电极化。即使撤掉电场，排列后的电荷依然能保持原状，也就是存在记忆功能。

　　铁电材料像十多年前常见的卡式磁带上的材料一样，可以被用作非易失性存储器，具有低功耗、无损读取和快速重复写入的优势。

　　然而，传统铁电材料会产生疲劳：随着极化翻转次数的增加，铁电材料极化会减小，而导致其性能衰减，最终引发器件失效故障。

　　在全球范围内，传统铁电材料的疲劳失效是各种电子设备出现故障的主要原因之一。尤其是近年来，在航空航天、深海探测等重大技术装备领域，利用铁电材料制作的各类器件常常被用于在高温、高压、高频、高强磁场等复杂环境下执行存储、传感、驱动、能量转换等关键任务，铁电材料会因外场的反复加载而反复发生极化翻转。因此，对铁电材料的抗疲劳特性进行优化和设计，是保障器件可靠性的基础。

不移动“缺陷”，不产生疲劳

　　对于传统铁电材料发生疲劳的内在原因，宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队副研究员何日介绍，材料内部有无数晶格单元，每个晶格单元内都聚集了带电离子，同时也存在很多缺陷。这些带电离子在电场的作用下会移动，进而产生极化翻转。

　　在电场下，铁电材料中每个晶格单元的极化翻转不是同时发生的，而是像海浪一样从材料的一端传播到另一端。在传播过程中，材料中的缺陷会随传播而移动并聚集，久而久之成为缺陷团簇，阻止极化翻转的传播过程，进而使得材料产生极化疲劳，是一种不可逆的损坏。

　　针对上述问题，宁波材料柔性磁电功能材料与器件团队联合电子科技大学、复旦大学相关团队从铁电疲劳产生的微观原理入手，利用二维滑移铁电结构的独特性，研制了一种无疲劳铁电材料。

　　何日表示：“二维滑移铁电材料没有原子的独立移动，两层原子像两张纸一样整体滑动。其间也有缺陷，但由于原子层间滑移无须克服离子键或共价键，因此极化翻转所需外加电场较小，不足以让缺陷移动。而且二维层状的结构使缺陷难以跨越层间移动，所以缺陷更加不易聚集。”

　　这一应用有望打破铁电存储器有限读写次数的限制，大大增加耐久性，从而能够在深海探测、航空航天以及柔性可穿戴电子设备等方面执行存储、传感、能量转换等关键任务。

百万次翻转无衰减

　　在该研究中，研究团队以双层二硫化钼二维材料为代表，设计出合适的原子堆叠方式，利用化学气相输送法制备出双层二硫化钼铁电器件，其厚度仅为纳米级别。在400万次循环电场极化翻转以后，电学曲线测量表明，其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，使用新型二维层状滑移铁电材料的存储器，不仅基本没有读写次数限制，超薄的厚度还可以大幅提升存储密度。

　　因此，对于深海探测或航空航天重要装备而言，无疲劳的新型二维层状滑移铁电材料可极大提升设备可靠性，降低维护成本。

　　该成果一投稿就得到了《科学》期刊编辑和审稿人的认可。几位审稿人表示：“通过滑移铁电机制解决铁电疲劳问题非常巧妙……显然，滑移铁电中极化翻转的势垒远小于缺陷迁移势垒。”

　　下一步，研究团队将就如何提升滑移铁电器件高温稳定性这一问题开展研究，进而实现无疲劳滑移铁电器件在各类极端条件下的应用。