众所周知，存储芯片存在读写次数限制，在读写次数超过一定数值时稳定性直线下降，随时可能“掉盘”，究其原因，是由于制备存储芯片的铁电材料存在“铁电疲劳”效应。事实上，铁电材料具有低功耗、无损读取、快速重复写入等优异特性，是开发非易失性存储芯片的理想材料之一。此外，基于铁电材料制备的各种芯片器件已经应用在强辐射、强磁场、高频震动、高温高压等的航空航天、深海探测等极端环境中。

近日，由中国科学院宁波材料技术与工程研究所钟志诚、电子科技大学刘富才和复旦大学李文武领导的研究团队，基于二维滑移铁电机制开发出一种无疲劳的新型铁电材料，使用该材料制备的铁电存储芯片有望实现无限次数读写，同时还为解决“铁电疲劳”带来了新策略，在电子科技领域展现出广泛应用前景。


铁电材料的固有缺陷

铁电存储器（Ferroelectric memory）是一种将DRAM的快速读取写入和数据保留能力，与其他稳定存储设备的特点相结合的随机存取存储器。它不像DRAM和SRAM那样密集，但在低电能需求下存储速度快。

尽管它可能无法取代这些技术，但在小型设备中有广泛应用前景，如PDA、手机、功率表、智能卡和安全系统等。铁电存储器的发展始于1921年，1993年美国Ramtron国际公司成功推出首个4K位的FRAM产品。它的技术特点与浮动栅存储器不同，采用人工合成的铅锆钛材料，通过铁电畴在电场下的反转形成极化电荷来存储数据，具有非易失性、无擦写延迟、写入速度快、无限次写入寿命等优点。其原理是利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，具有非易失性和抗磁场干扰的特点。

铁电存储技术早在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4K位的铁电存储器FRAM产品，所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。FRAM有新的发展，采用了0.35um工艺，推出了3V产品，开发出“单管单容”存储单元的FRAM，最大密度可达256K位。

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。

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，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。针对上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所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，创制了一种无疲劳铁电材料。

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。


无疲劳铁电材料问世

传统铁电材料的内部，有无数个晶格单元，每个晶格单元内都聚集了带电离子。这些带电离子在电场的作用下会移动，进而产生极化翻转。科研团队研究发现，传统铁电材料的晶体内部存在很多缺陷。更关键的是，这些缺陷在“极化翻转”传播过程中会发生聚集，成为缺陷团簇，从而阻碍正常的“极化翻转”，进而使得材料产生极化疲劳，器件发生不可逆的损坏。

一个小的缺陷聚集成“缺陷团簇”的过程，如同一颗颗小石子聚积成不可忽视的大礁石的过程。科研团队最终采取的解决办法不是消除这些晶体中的缺陷，而是避免这些“缺陷”移动、聚集。但同时，又不能影响“极化翻转”的发生和传播。他们想到了二维层状滑移铁电材料，用“层间滑移”来代替传统铁电材料的“离子移动”。在电场的作用下，层与层之间会产生滑移，同时层间发生电荷转移，进而产生极化翻转。

研究团队首先通过理论计算，论证了由于无需克服离子间的共价键，所以极化翻转所需外加电场较小，不足以让缺陷移动，而且由于二维层状的结构，使得缺陷难以跨越层间移动，所以缺陷更加不会聚集，也不会产生铁电疲劳。而在常规离子型铁电材料中，在电场作用下，铁电材料中的每个晶格单元的极化翻转不是同时发生的，而是如同海浪一般从材料的一端传播到另一端。传播过程中，材料中缺陷会移动并聚集。

新材料抗疲劳的原理是：层与层之间存在范德华间隙，如一堵墙把缺陷隔离开，使其无法移动；层内部，由于没有横向电场，缺陷同样无法移动。研究团队以双层二硫化钼为代表性材料，通过化学气相输送（CVT）法制备了双层二硫化钼铁电器件，其厚度仅为纳米级别。研究发现，其抗疲劳性能明显优于传统离子型铁电材料。


400万次循环后仍无衰退

试验表明，这种铁电芯片器件在经历了 400 万次循环电场翻转极化后，电学曲线测量显示铁电极化仍然没有出现衰减，证明其抗疲劳能力要优于传统铁电材料，此外，在不同的脉冲宽度下其内存性能在低循环时没有表现出“唤醒效应”。

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大提升其存储密度。因此，对于深海探测或航空航天重大装备领域而言，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。

研究人员表示，基于这种二维层状滑移铁电材料制备的存储芯片，理论上可以实现无限次数的擦写，由于没有读写次数限制，能够大幅提升芯片器件的可靠性、耐久性，同时有效降低成本。除此之外，基于该新型材料制备的存储芯片的厚度仅为纳米级别，可以大幅提升存储密度，兼具无限次读写、大容量、稳定等特性，未来将应用于重大技术装备领域。

在评审意见中，一位审稿专家表示，“通过滑移铁电机制来解决铁电疲劳问题非常巧妙”。另一位审稿专家表示，“作者们展示了一种解决众所周知的传统铁电材料性能下降的方法。显然，滑移铁电中极化翻转的势垒远小于缺陷迁移势垒，这一点被很成功地揭示了出来”。