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电子科大/宁波材料所/复旦合作,最新Science:创制无疲劳铁电材料,有望实现存储器无限次数擦写

iNature  · 公众号  ·  · 2024-06-07 09:06

正文


iNature


铁电材料具有可切换的电极化,这对于高密度非易失性存储器很有吸引力。 然而,不可避免的疲劳阻碍了这些材料的实际应用。无疲劳铁电开关可以显著提高器件的耐久性。

2024年6月6日,电子科技大学刘富才、复旦大学李文武及中国科学院宁波材料技术与工程研究所钟志诚共同通讯(卞仁吉,何日,潘二及李泽芬为共同第一作者)在 Science 在线发表题为“ Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching ”的研究论文, 该研究报道了一种基于双层3R-MoS 2 滑动铁电性的无疲劳铁电体系。

该铁电器件的内存性能在低循环时不显示“唤醒效应”,在10 6 次循环后不出现实质性的“疲劳效应”不同脉冲宽度下的开关周期。器件在电场下的总应力时间长达10 5 s,相对于其他设备而言很长。 理论计算表明,滑动铁电体的无疲劳特性是由于滑动铁电体中的不动电荷缺陷所致。

铁电材料具有可切换的自发极化,可被外部电场翻转,并且对非易失性存储器件具有潜在吸引力,例如铁电场效应晶体管(FeFET)、铁电隧道结(FTJ)和神经形态计算。铁电器件的运行很大程度上依赖于可重复的双极极化开关。随着极化反转循环次数的增加,器件性能会因极化减少而退化。这种现象被称为铁电疲劳,在常规的Pb(Zr,Ti)O 3 中广泛观察到(PZT)、BiFeO 3 (BFO)、BaTiO 3 (BTO)、Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 (HZO)和范德华CuInP 2 S 6 (CIPS)。 这个问题严重阻碍了这些铁电材料在应用中的应用。尽管进行了几十年的研究,但这种铁电疲劳现象的起源仍未完全了解。显微镜模型表明,电荷缺陷在铁电疲劳中起负作用。
具体来说,当施加克服不同极化态势垒所必需的大电场来翻转极化方向时,伴随着电荷缺陷,然后由于钉住效应而阻止铁电畴壁传播。到目前为止,已经提出了几种方法来减少铁电疲劳并恢复疲劳极化,例如引入金属氧化物作为电极,将样品退火到居里温度以上,并用紫外光照射。 然而,由于铁电开关的遗传离子运动性质,不可避免地会发生铁电极化的疲劳。为了解决传统离子型铁电材料的疲劳问题,迫切需要具有不同开关机构的铁电材料系统。
常规铁电体与滑动铁电体受力后的区别(图源自 Science
该研究了以滑动铁电体3R-MoS 2 为例,揭示其抗疲劳性能。无论双向扫描电压的脉冲宽度如何,极化开关都与3R-MoS 2 的存储器特性相关。即使压力时间长达10 5 s次,也几乎保持不变。此外,估计极化开关速度约为53 ns。了解滑动铁电畴壁和硫空位缺陷的静态和动态特性对于解锁无疲劳特征至关重要。理论计算表明,由于超低的开关势垒和较强的平面刚度,当循环电场反复反转铁电极化时,电荷缺陷不会聚集到畴壁运动上,从而导致双层3R-MoS 2 的无疲劳性能。 该研究证明了滑动铁电性有可能成为解决铁电材料中长期存在的疲劳问题的一种解决方案。

原文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1744

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