讓存儲(chǔ)芯片無限次擦寫！中國科學(xué)家借助AI開發(fā)出“無疲勞鐵電材料”登上Science

眾所周知，存儲(chǔ)芯片存在讀寫次數(shù)限制，在讀寫次數(shù)超過一定數(shù)值時(shí)穩(wěn)定性直線下降，隨時(shí)可能“掉盤”，究其原因，是由于制備存儲(chǔ)芯片的鐵電材料存在“鐵電疲勞”效應(yīng)。

事實(shí)上，鐵電材料具有低功耗、無損讀取、快速重復(fù)寫入等優(yōu)異特性，是開發(fā)非易失性存儲(chǔ)芯片的理想材料之一。此外，基于鐵電材料制備的各種芯片器件（比如存儲(chǔ)器、傳感器、能量轉(zhuǎn)換器等）已經(jīng)應(yīng)用在強(qiáng)輻射、強(qiáng)磁場、高頻震動(dòng)、高溫高壓等的航空航天、深海探測等極端環(huán)境中。

正如開頭所提到的“掉盤”，鐵電材料出現(xiàn)“疲勞”問題還會(huì)導(dǎo)致各種器件的性能驟降乃至完全失效。目前，鐵電疲勞已經(jīng)成為制約鐵電材料進(jìn)一步研發(fā)、限制其更廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。

近日，由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所鐘志誠、電子科技大學(xué)劉富才和復(fù)旦大學(xué)李文武領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，基于二維滑移鐵電機(jī)制開發(fā)出一種無疲勞的新型鐵電材料，使用該材料制備的鐵電存儲(chǔ)芯片有望實(shí)現(xiàn)無限次數(shù)讀寫，同時(shí)還為解決“鐵電疲勞”帶來了新策略，在電子科技領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景。

目前，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”（利用二維滑移鐵電機(jī)制開發(fā)抗疲勞鐵電材料）為題發(fā)表在 Science 上。

圖｜（來源：Science）

在電氣領(lǐng)域，作為一種常見的功能材料，鐵電材料由于晶體正負(fù)電荷中心不重合可產(chǎn)生電偶極矩，具有自發(fā)的自旋極化的特性，能夠被外部電場調(diào)控翻轉(zhuǎn)。

基于這種特性（極化翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn) 0 和 1 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），鐵電材料可用于開發(fā)高密度非易失性存儲(chǔ)芯片，比如，鐵電場效應(yīng)晶體管（FeFET）、鐵電隧道結(jié)（FTJ）以及神經(jīng)計(jì)算芯片器件等。

加之隨著 AI、物聯(lián)網(wǎng)等的崛起，業(yè)界對(duì)鐵電材料的需求也在不斷激增，未來鐵電材料將在可穿戴設(shè)備、柔性電子技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

然而，鐵電材料往往存在“鐵電疲勞”效應(yīng)，以現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的鋯鈦酸鉛（PZT）鐵電材料為例，極化在外部電場下翻轉(zhuǎn)，經(jīng)歷反復(fù)極化翻轉(zhuǎn)后，極化逐漸減少只能實(shí)現(xiàn)部分翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致性能衰減，最終完全失效。

目前，鐵電疲勞已經(jīng)成為當(dāng)今相關(guān)電子設(shè)備芯片器件出現(xiàn)故障、失效的主要原因之一，對(duì)鐵電材料的抗疲勞特性進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化是保障芯片器件穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

然而，經(jīng)過了數(shù)十年的研究，這種“鐵電疲勞”效應(yīng)的起源仍未完全探明。業(yè)界主流觀點(diǎn)認(rèn)為，鐵電材料產(chǎn)生疲勞與其晶體原子結(jié)構(gòu)相關(guān)，是由于“帶電荷缺陷”引發(fā)的。

具體而言，鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)依賴于鐵電疇界的移動(dòng)，鐵電材料在循環(huán)外部電場反復(fù)加載過程中電極化翻轉(zhuǎn)，帶電荷缺陷也會(huì)隨之移動(dòng)，隨著時(shí)間的積累缺陷會(huì)逐漸聚集成團(tuán)簇，其能夠釘扎疇界（晶體中化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)相同的各個(gè)局部范疇之間的邊界）使其難以移動(dòng)，導(dǎo)致極化難以翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而引發(fā)芯片器件疲勞和失效。

對(duì)此，研究人員打比方稱，“就像是海浪卷起海水中的小石頭，逐漸聚集變成大礁石，最終阻礙了海浪的流動(dòng)。”

圖｜傳統(tǒng)鐵電材料和二維滑移鐵電材料的疲勞特性（來源： Science）

在這項(xiàng)研究中，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所鐘志誠和團(tuán)隊(duì)基于鐵電疲勞效應(yīng)的起源提出，采用“層間滑移”來替代傳統(tǒng)離子型鐵電材料的“離子移動(dòng)”，他們通過理論計(jì)算預(yù)測“滑移鐵電材料”具有抗疲勞特性。

隨后，他們聯(lián)合電子科技大學(xué)劉富才團(tuán)隊(duì)、復(fù)旦大學(xué)李文武團(tuán)隊(duì)，圍繞這種“滑移鐵電”機(jī)制設(shè)計(jì)制備出一種新型的二維層狀滑移鐵電材料（3R-MoS?）。

緊接著，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)基于 AI 輔助的跨尺度原子模擬分析“滑移鐵電”機(jī)制能夠抗鐵電疲勞的微觀物理起源。

他們發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)離子型鐵電材料的離子位移不同，二維滑移鐵電材料在電場的作用下層與層之間會(huì)產(chǎn)生整體滑移，與此同時(shí)，層間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移并實(shí)現(xiàn)面外極化翻轉(zhuǎn)。

圖｜3R-MoS? 鐵電器件的抗疲勞性能分析（來源：Science）

他們通過理論計(jì)算進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，由于不需要克服離子間的共價(jià)鍵，這種二維滑移鐵電材料通過層間滑移實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)所需的電場，比傳統(tǒng)鐵電材料所需的電場更小，以至于較小電場難以使帶電荷缺陷移動(dòng)。

更為重要的是，由于這種二維滑移鐵電材料是層狀結(jié)構(gòu)，電荷缺陷也難以跨越層間進(jìn)行移動(dòng)，因此電荷缺陷無法聚集成團(tuán)簇，進(jìn)而不會(huì)產(chǎn)生鐵電疲勞現(xiàn)象。

接下來，他們以這種二維層狀滑移鐵電材料為基礎(chǔ)，采用化學(xué)氣相輸送技術(shù)（CVT）制備出厚度僅為納米級(jí)別的雙層 3R-MoS? 鐵電芯片器件。

圖｜3R- MoS? 鐵電器件的疲勞特性（來源：Science）

試驗(yàn)表明，這種鐵電芯片器件在經(jīng)歷了 400 萬次循環(huán)電場翻轉(zhuǎn)極化后，電學(xué)曲線測量顯示鐵電極化仍然沒有出現(xiàn)衰減，證明其抗疲勞能力要優(yōu)于傳統(tǒng)鐵電材料，此外，在不同的脈沖寬度下其內(nèi)存性能在低循環(huán)時(shí)沒有表現(xiàn)出“喚醒效應(yīng)”。

研究人員表示，基于這種二維層狀滑移鐵電材料制備的存儲(chǔ)芯片，理論上可以實(shí)現(xiàn)無限次數(shù)的擦寫，由于沒有讀寫次數(shù)限制，能夠大幅提升芯片器件的可靠性、耐久性，同時(shí)有效降低成本。除此之外，基于該新型材料制備的存儲(chǔ)芯片的厚度僅為納米級(jí)別，可以大幅提升存儲(chǔ)密度，兼具無限次讀寫、大容量、穩(wěn)定等特性，未來將應(yīng)用于重大技術(shù)裝備領(lǐng)域。

參考資料：

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1744

2.https://www.nimte.ac.cn/news/progress/202406/t20240604_7184093.html

3.https://www.cas.cn/syky/202406/t20240606_5020784.shtml

4.https://teacher.ucas.ac.cn/~zhong

5.https://sose.uestc.edu.cn/info/1022/1914.htm

6.https://mse.fudan.edu.cn/3f/10/c23099a409360/page.htm