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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

铁电材料具有可切换的自发极化，可以被外电场翻转，在非易失性存储器件，如铁电场效应晶体管( FeFET )、铁电隧道结( FTJ )和神经形态计算等方面具有潜在的吸引力。铁电器件的工作强烈依赖于可重复的双极性极化开关。

关键问题

然而，铁电器件的应用仍存在以下问题：

1、铁电器件的性能随着极化反转周期数增加会退化

随着极化反转周期数的增加，由于极化的降低，器件性能退化。这种现象被称为铁电疲劳，这一问题严重阻碍了这些铁电材料在实际中的应用。

2、铁电疲劳现象的起源至今仍不清楚

尽管经过几十年的研究，但铁电疲劳现象的起源仍然没有被完全理解。微迄今为止，人们已经提出了几种降低铁电疲劳和恢复疲劳极化的方法，但由于铁电开关继承的离子运动性质，不可避免地会出现铁电极化疲劳现象。

新思路

有鉴于此，电子科技大学刘富才、复旦李文武及宁波材料所钟志诚等人报道了一种基于双层3R-MoS₂滑动铁电性的抗疲劳铁电体系。在不同脉冲宽度下，该铁电器件的记忆性能在低周波下没有表现出"唤醒效应"，在10⁶个开关周期后也没有表现出明显的"疲劳效应"。器件在电场作用下的总应力时间长达10⁵ s，相对于其他器件而言应力时间较长。理论计算揭示了滑动铁电性的抗疲劳特征是由于滑动铁电性中的不动电荷缺陷引起的。    

技术方案：

1、研究了滑动铁电中的范德华接触

作者制作了双栅器件，测量了3R – MoS₂器件的初始电学特性，表明了双层3R-MoS_2的半导体特性、铁电性及极化具有稳定的非易失性。

2、探究了3R-MoS₂器件的疲劳性能

作者评估了滑动铁电极化转换的耐受性，在10⁶个周期的测量中，可切换的极化偶极子并没有表现出可识别的损耗。

3、分析了3R-MoS₂抗疲劳的理论

作者通过理论计算表明，硫空位在循环电场下不发生迁移或聚集，表明了3R-MoS₂铁电体的抗疲劳特性。    

4、实现了基于3R-MoS₂的滑动铁电性的超快开关

作者通过不同宽度的电压脉冲作为极化电场，表征了3R–MoS₂铁电器件的开关速度，实现了超快畴壁运动。

技术优势：

1、展示了基于双层3R-MoS₂滑动铁电性的抗疲劳铁电体系

作者研究了3R-MoS₂，作为滑动铁电体的例子，以显示抗疲劳特性。发现，无论双向扫描电压的脉冲宽度如何，3R-MoS₂的极化翻转相关的记忆特性，即使应力时间高达10⁵ s，也几乎保持不变。

2、开展了基于双层3R-MoS₂的畴壁运动动力学模拟

作者通过在一组DFT计算上训练深度神经网络，构建了一个机器学习的原子间相互作用势，开展了基于双层3R-MoS₂的畴壁运动动力学模拟。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，电荷缺陷不会聚集钉扎畴壁运动，从而导致双层3R–MoS₂的抗疲劳性能。

技术细节

滑动铁电中的范德华接触

在确定了MoS₂的相结构之后，作者制作了双栅器件，其中双层3R-MoS₂被夹在两个h-BN和石墨之间，通过范德华接触连接3R-MoS₂沟道。测量了3R – MoS₂器件的初始电学特性，双层3R-MoS₂表现出半导体特性，带隙为1.26 eV，表明其电导率可以通过静电门进行调制。转移特性曲线观察到了3R-MoS₂的n型性质，器件的电流开关比达到了10⁶。进一步的动态和静态电学测量证实了3R-MoS₂的铁电性，表明极化具有稳定的非易失性。此外，还通过SS-PFM的电滞回线测量证实了双层3R-MoS₂的铁电性。    

图  应力后的常规铁电性与滑动铁电性的区别

图  3R-MoS₂器件的电学特性

3R-MoS₂器件的疲劳性能

为了深入了解滑动铁电极化转换的耐受性，作者设计了不同宽度的周期性双极脉冲来反复翻转3R-MoS₂的极化方向，结果表明3R-MoS₂器件的电学特性对于进行疲劳测试具有很高的可靠性。在10⁶个周期的测量中，3R-Mo S₂器件的动、静态电特性曲线几乎重叠，表明可切换的极化偶极子并没有表现出可识别的损耗，滑动铁电器件没有表现出唤醒效应或疲劳。此外，脉冲宽度也应被考虑来评估滑动铁电体的耐久性能。当脉冲宽度从1 ms到100 ms变化时，当测试周期增加到10⁶时，转移特性和铁电滞回曲线没有任何变化。作者还评价了铁电体的耐久性能，当样品拉伸到10⁴个循环后，没有观察到退化或损坏。

图  3R-MoS₂器件的疲劳特性

3R-MoS₂抗疲劳的理论分析    

在铁电MoS₂的情况下，确定了主要的电荷缺陷为硫空位。为了揭示基于3R-MoS­的滑动铁电体的抗疲劳性能，作者分析了硫空位的影响。结果表明，当对滑动铁电体施加循环电场来改变其极化方向时，不会发生硫空位的重新分布来抑制畴的形核或钉扎磁畴壁运动。为了进一步了解滑动铁电的抗疲劳特征，验证了不动的硫空位是归因于磁畴成核抑制还是磁畴壁钉扎。机器学习辅助的分子动力学模拟表明，在0.2 V nm^-1的电场作用下，畴壁可以顺利地穿过硫空位。进一步对含有更多硫空位的双层3R- MoS₂进行了分子动力学模拟，发现更多的硫空位在循环电场下不发生迁移或聚集，表明了3R-MoS₂铁电体的抗疲劳特性。

图  3R-MoS₂抗疲劳的理论分析 

基于3R-MoS₂的滑动铁电性的超快开关

为了表征3R–MoS₂铁电器件的开关速度，作者实现了不同宽度的电压脉冲作为极化电场。在测量过程中，当脉冲宽度低至53 ns时，仍然获得了明显的LRS。进一步通过分子动力学模拟研究了滑动铁电极化转换的极限速度，当施加300 K的电场时，观察到畴壁的类孤子运动。17 ps后，畴壁湮灭成单畴。当电场为0.2 V nm时，BA畴随时间线性增长。考虑到3000 m s^-1的恒定畴壁速度，即对于直径为1 000 nm的畴，开关时间约为0.3 ns。超快畴壁运动的这一特性使其在超快非易失性存储器件中具有广阔的应用前景。

图  3R-MoS₂器件的超快开关

展望

总之，基于滑移铁电的铁电存储器件晶体管表现出优异的抗疲劳性能，其应力时间高达10⁵ s。理论计算表明，抗疲劳特性可归因于三个方面的综合影响：电荷缺陷在极化翻转过程中的不可动性、电荷缺陷对畴壁运动的钉扎作用可忽略不计以及超低的极化翻转势垒。因此，有理由推测抗疲劳是滑动铁电的本征属性，抗疲劳的滑动铁电特性为解决铁电器件应用的关键障碍提供了一条途径。

参考文献：

Renji Bian, et al. Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching. Science, 2024. DOI: 10.1126/science.ado1744

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