眾所周知，存儲芯片存在讀寫次數(shù)限制，在讀寫次數(shù)超過一定數(shù)值時穩(wěn)定性直線下降，隨時可能“掉盤”，究其原因，是由于制備存儲芯片的鐵電材料存在“鐵電疲勞”效應(yīng)。事實上，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已經(jīng)應(yīng)用在強(qiáng)輻射、強(qiáng)磁場、高頻震動、高溫高壓等的航空航天、深海探測等極端環(huán)境中。

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，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芯片有望實現(xiàn)無限次數(shù)讀寫，同時還為解決“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。


鐵電材料的固有缺陷

鐵電存儲器（Ferroelectric memory）是一種將DRAM的快速讀取寫入和數(shù)據(jù)保留能力，與其他穩(wěn)定存儲設(shè)備的特點(diǎn)相結(jié)合的隨機(jī)存取存儲器。它不像DRAM和SRAM那樣密集，但在低電能需求下存儲速度快。

盡管它可能無法取代這些技術(shù)，但在小型設(shè)備中有廣泛應(yīng)用前景，如PDA、手機(jī)、功率表、智能卡和安全系統(tǒng)等。鐵電存儲器的發(fā)展始于1921年，1993年美國Ramtron國際公司成功推出首個4K位的FRAM產(chǎn)品。它的技術(shù)特點(diǎn)與浮動?xùn)糯鎯ζ鞑煌捎萌斯ず铣傻你U鋯鈦材料，通過鐵電疇在電場下的反轉(zhuǎn)形成極化電荷來存儲數(shù)據(jù)，具有非易失性、無擦寫延遲、寫入速度快、無限次寫入壽命等優(yōu)點(diǎn)。其原理是利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，具有非易失性和抗磁場干擾的特點(diǎn)。

鐵電存儲技術(shù)早在1921年提出，直到1993年美國Ramtron國際公司成功開發(fā)出第一個4K位的鐵電存儲器FRAM產(chǎn)品，所有的FRAM產(chǎn)品均由Ramtron公司制造或授權(quán)。FRAM有新的發(fā)展，采用了0.35um工藝，推出了3V產(chǎn)品，開發(fā)出“單管單容”存儲單元的FRAM，最大密度可達(dá)256K位。

鐵電材料雖然名字中有“鐵”，但實際上和金屬“鐵”一點(diǎn)關(guān)系都沒有。這里的“鐵電”是指一種絕緣材料。在外加電場的作用下，它的電荷能夠重排產(chǎn)生電極化。即使撤掉電場，排列后的電荷依然能保持原狀，也就是存在記憶功能。

然而，傳統(tǒng)鐵電材料會產(chǎn)生疲勞：隨著極化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，鐵電材料極化會減小，而導(dǎo)致其性能衰減，最終引發(fā)器件失效故障。在全球范圍內(nèi)，鐵電材料的疲勞失效是各種電子設(shè)備出現(xiàn)故障的主要原因之一。針對上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊從鐵電疲勞產(chǎn)生的微觀原理入手，利用二維滑移鐵電結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，創(chuàng)制了一種無疲勞鐵電材料。

這一應(yīng)用有望打破鐵電存儲器有限讀寫次數(shù)的限制，大大增加耐久性，從而能夠在深海探測、航空航天以及柔性可穿戴電子設(shè)備等方面執(zhí)行存儲、傳感、能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵任務(wù)。


無疲勞鐵電材料問世

傳統(tǒng)鐵電材料的內(nèi)部，有無數(shù)個晶格單元，每個晶格單元內(nèi)都聚集了帶電離子。這些帶電離子在電場的作用下會移動，進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。科研團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)鐵電材料的晶體內(nèi)部存在很多缺陷。更關(guān)鍵的是，這些缺陷在“極化翻轉(zhuǎn)”傳播過程中會發(fā)生聚集，成為缺陷團(tuán)簇，從而阻礙正常的“極化翻轉(zhuǎn)”，進(jìn)而使得材料產(chǎn)生極化疲勞，器件發(fā)生不可逆的損壞。

一個小的缺陷聚集成“缺陷團(tuán)簇”的過程，如同一顆顆小石子聚積成不可忽視的大礁石的過程。科研團(tuán)隊最終采取的解決辦法不是消除這些晶體中的缺陷，而是避免這些“缺陷”移動、聚集。但同時，又不能影響“極化翻轉(zhuǎn)”的發(fā)生和傳播。他們想到了二維層狀滑移鐵電材料，用“層間滑移”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵電材料的“離子移動”。在電場的作用下，層與層之間會產(chǎn)生滑移，同時層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。

研究團(tuán)隊首先通過理論計算，論證了由于無需克服離子間的共價鍵，所以極化翻轉(zhuǎn)所需外加電場較小，不足以讓缺陷移動，而且由于二維層狀的結(jié)構(gòu)，使得缺陷難以跨越層間移動，所以缺陷更加不會聚集，也不會產(chǎn)生鐵電疲勞。而在常規(guī)離子型鐵電材料中，在電場作用下，鐵電材料中的每個晶格單元的極化翻轉(zhuǎn)不是同時發(fā)生的，而是如同海浪一般從材料的一端傳播到另一端。傳播過程中，材料中缺陷會移動并聚集。

新材料抗疲勞的原理是：層與層之間存在范德華間隙，如一堵墻把缺陷隔離開，使其無法移動；層內(nèi)部，由于沒有橫向電場，缺陷同樣無法移動。研究團(tuán)隊以雙層二硫化鉬為代表性材料，通過化學(xué)氣相輸送（CVT）法制備了雙層二硫化鉬鐵電器件，其厚度僅為納米級別。研究發(fā)現(xiàn)，其抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)離子型鐵電材料。


400萬次循環(huán)后仍無衰退

試驗表明，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)時沒有表現(xiàn)出“喚醒效應(yīng)”。

這意味著，使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲器，不僅基本沒有讀寫次數(shù)限制，超薄的厚度還可以大大提升其存儲密度。因此，對于深海探測或航空航天重大裝備領(lǐng)域而言，無疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料可極大提升設(shè)備可靠性，降低維護(hù)成本。

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芯片，理論上可以實現(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，同時有效降低成本。除此之外，基于該新型材料制備的存儲芯片的厚度僅為納米級別，可以大幅提升存儲密度，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。

在評審意見中，一位審稿專家表示，“通過滑移鐵電機(jī)制來解決鐵電疲勞問題非常巧妙”。另一位審稿專家表示，“作者們展示了一種解決眾所周知的傳統(tǒng)鐵電材料性能下降的方法。顯然，滑移鐵電中極化翻轉(zhuǎn)的勢壘遠(yuǎn)小于缺陷遷移勢壘，這一點(diǎn)被很成功地揭示了出來”。