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這意味著,以存儲器為例,使用傳統(tǒng)離子型鐵電材料(例如鋯鈦酸鉛PZT)的存儲器一般可讀寫幾萬次,而使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲器則無讀寫次數(shù)限制。
“我們進一步通過AI輔助的原子模擬,闡明了該機制實現(xiàn)無鐵電疲勞的原因。”據(jù)何日介紹,滑移鐵電機制與傳統(tǒng)鐵電材料的離子移動機制不同,滑移鐵電機制主要適用于二維層狀材料,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,進而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。
該研究團隊發(fā)現(xiàn),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。
據(jù)悉,中國科學(xué)院寧波材料所為共同第一完成單位和共同通訊單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等項目的支持。(完)
天博手机体育官网中新網(wǎng)寧波6月7日電(林波)6月7日,中國科研機構(gòu)聯(lián)合在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上發(fā)表了題為“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”(利用層間滑移翻轉(zhuǎn)機制開發(fā)抗疲勞鐵電材料)的研究文章,對外宣布聯(lián)合創(chuàng)制出無疲勞鐵電材料,有望實現(xiàn)存儲器無限次數(shù)擦寫。
據(jù)了解,傳統(tǒng)鐵電材料產(chǎn)生疲勞的原因與其原子結(jié)構(gòu)息息相關(guān),在傳統(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,同時也存在很多缺陷,這些帶電離子在電場的作用下會移動,進而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。
鐵電材料是一種常見的功能材料,因其晶體中正負電荷中心不重合,產(chǎn)生電偶極矩,從而具有自發(fā)電極化的性質(zhì),并能夠被外場所調(diào)控,小到打火機、麥克風(fēng)、耳機、存儲器等,大到驅(qū)動器、能量轉(zhuǎn)換器、濾波器、制動器、減震器等都離不開鐵電材料,它也是航空動力診斷設(shè)備、火星巖石鉆孔器等尖端領(lǐng)域必不可少的材料之一。
在電場下,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,久而久之就會聚集成缺陷團簇,阻止極化翻轉(zhuǎn)的傳播過程,進而使得材料產(chǎn)生極化疲勞,器件發(fā)生不可逆的損壞。就像海浪卷起海水中的小石子,小石子會聚集成大礁石,阻止海浪的移動。
何日說:“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,降低維護成本。”
針對這一問題,何日與團隊研究員鐘志誠通過理論計算預(yù)言了滑移鐵電具有抗疲勞特性,并聯(lián)合電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)相關(guān)團隊基于滑移鐵電機制,制備出了無疲勞的二維層狀滑移鐵電材料。
“傳統(tǒng)鐵電材料會產(chǎn)生疲勞,即隨著極化翻轉(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?!睋?jù)該文章共同第一作者、中國科學(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊副研究員何日介紹,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。
尤其是近年來,在航空航天、深海探測等重大技術(shù)裝備領(lǐng)域,利用鐵電材料制作的各類器件常常被用于在高溫、高壓、高頻、高強磁場等復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行存儲、傳感、驅(qū)動、能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵任務(wù),鐵電材料會受到外場的反復(fù)加載。
研究發(fā)現(xiàn),在400萬次循環(huán)電場翻轉(zhuǎn)極化以后,電學(xué)曲線測量表明,鐵電極化并沒有發(fā)生任何衰減,抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)離子型鐵電材料。
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