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原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
鐵電材料具有可切換的自發極化，可以被外電場翻轉，在非易失性存儲器件，如鐵電場效應晶體管( FeFET )、鐵電隧道結( FTJ )和神經形態計算等方面具有潛在的吸引力。鐵電器件的工作強烈依賴于可重復的雙極性極化開關。
關鍵問題
然而，鐵電器件的應用仍存在以下問題：
1、鐵電器件的性能隨著極化反轉周期數增加會退化
隨著極化反轉周期數的增加，由于極化的降低，器件性能退化。這種現象被稱為鐵電疲勞，這一問題嚴重阻礙了這些鐵電材料在實際中的應用。
2、鐵電疲勞現象的起源至今仍不清楚
盡管經過幾十年的研究，但鐵電疲勞現象的起源仍然沒有被完全理解。微迄今為止，人們已經提出了幾種降低鐵電疲勞和恢復疲勞極化的方法，但由于鐵電開關繼承的離子運動性質，不可避免地會出現鐵電極化疲勞現象。
新思路
有鑒于此，電子科技大學劉富才、復旦李文武及寧波材料所鐘志誠等人報道了一種基于雙層3R-MoS2滑動鐵電性的抗疲勞鐵電體系。在不同脈沖寬度下，該鐵電器件的記憶性能在低周波下沒有表現出"喚醒效應"，在106個開關周期后也沒有表現出明顯的"疲勞效應"。器件在電場作用下的總應力時間長達105 s，相對于其他器件而言應力時間較長。理論計算揭示了滑動鐵電性的抗疲勞特征是由于滑動鐵電性中的不動電荷缺陷引起的。
技術方案：
1、研究了滑動鐵電中的范德華接觸
作者制作了雙柵器件，測量了3R – MoS2器件的初始電學特性，表明了雙層3R-MoS2的半導體特性、鐵電性及極化具有穩定的非易失性。
2、探究了3R-MoS2器件的疲勞性能
作者評估了滑動鐵電極化轉換的耐受性，在106個周期的測量中，可切換的極化偶極子并沒有表現出可識別的損耗。
3、分析了3R-MoS2抗疲勞的理論
作者通過理論計算表明，硫空位在循環電場下不發生遷移或聚集，表明了3R-MoS2鐵電體的抗疲勞特性。
4、實現了基于3R-MoS2的滑動鐵電性的超快開關
作者通過不同寬度的電壓脈沖作為極化電場，表征了3R–MoS2鐵電器件的開關速度，實現了超快疇壁運動。
技術優勢：
1、展示了基于雙層3R-MoS2滑動鐵電性的抗疲勞鐵電體系
作者研究了3R-MoS2，作為滑動鐵電體的例子，以顯示抗疲勞特性。發現，無論雙向掃描電壓的脈沖寬度如何，3R-MoS2的極化翻轉相關的記憶特性，即使應力時間高達105 s，也幾乎保持不變。
2、開展了基于雙層3R-MoS2的疇壁運動動力學模擬
作者通過在一組DFT計算上訓練深度神經網絡，構建了一個機器學習的原子間相互作用勢，開展了基于雙層3R-MoS2的疇壁運動動力學模擬。理論計算表明，由于超低的開關勢壘和較強的平面剛度，當循環電場反復反轉鐵電極化時，電荷缺陷不會聚集釘扎疇壁運動，從而導致雙層3R–MoS2的抗疲勞性能。
技術細節
滑動鐵電中的范德華接觸
在確定了MoS2的相結構之后，作者制作了雙柵器件，其中雙層3R-MoS2被夾在兩個h-BN和石墨之間，通過范德華接觸連接3R-MoS2溝道。測量了3R – MoS2器件的初始電學特性，雙層3R-MoS2表現出半導體特性，帶隙為1.26 eV，表明其電導率可以通過靜電門進行調制。轉移特性曲線觀察到了3R-MoS2的n型性質，器件的電流開關比達到了106。進一步的動態和靜態電學測量證實了3R-MoS2的鐵電性，表明極化具有穩定的非易失性。此外，還通過SS-PFM的電滯回線測量證實了雙層3R-MoS2的鐵電性。
圖 應力后的常規鐵電性與滑動鐵電性的區別
圖 3R-MoS2器件的電學特性
3R-MoS2器件的疲勞性能
為了深入了解滑動鐵電極化轉換的耐受性，作者設計了不同寬度的周期性雙極脈沖來反復翻轉3R-MoS2的極化方向，結果表明3R-MoS2器件的電學特性對于進行疲勞測試具有很高的可靠性。在106個周期的測量中，3R-Mo S2器件的動、靜態電特性曲線幾乎重疊，表明可切換的極化偶極子并沒有表現出可識別的損耗，滑動鐵電器件沒有表現出喚醒效應或疲勞。此外，脈沖寬度也應被考慮來評估滑動鐵電體的耐久性能。當脈沖寬度從1 ms到100 ms變化時，當測試周期增加到106時，轉移特性和鐵電滯回曲線沒有任何變化。作者還評價了鐵電體的耐久性能，當樣品拉伸到104個循環后，沒有觀察到退化或損壞。
圖 3R-MoS2器件的疲勞特性
3R-MoS2抗疲勞的理論分析
在鐵電MoS2的情況下，確定了主要的電荷缺陷為硫空位。為了揭示基于3R-MoS-的滑動鐵電體的抗疲勞性能，作者分析了硫空位的影響。結果表明，當對滑動鐵電體施加循環電場來改變其極化方向時，不會發生硫空位的重新分布來抑制疇的形核或釘扎磁疇壁運動。為了進一步了解滑動鐵電的抗疲勞特征，驗證了不動的硫空位是歸因于磁疇成核抑制還是磁疇壁釘扎。機器學習輔助的分子動力學模擬表明，在0.2 V nm-1的電場作用下，疇壁可以順利地穿過硫空位。進一步對含有更多硫空位的雙層3R- MoS2進行了分子動力學模擬，發現更多的硫空位在循環電場下不發生遷移或聚集，表明了3R-MoS2鐵電體的抗疲勞特性。
圖 3R-MoS2抗疲勞的理論分析
基于3R-MoS2的滑動鐵電性的超快開關
為了表征3R–MoS2鐵電器件的開關速度，作者實現了不同寬度的電壓脈沖作為極化電場。在測量過程中，當脈沖寬度低至53 ns時，仍然獲得了明顯的LRS。進一步通過分子動力學模擬研究了滑動鐵電極化轉換的極限速度，當施加300 K的電場時，觀察到疇壁的類孤子運動。17 ps后，疇壁湮滅成單疇。當電場為0.2 V nm時，BA疇隨時間線性增長。考慮到3000 m s-1的恒定疇壁速度，即對于直徑為1 000 nm的疇，開關時間約為0.3 ns。超快疇壁運動的這一特性使其在超快非易失性存儲器件中具有廣闊的應用前景。
圖 3R-MoS2器件的超快開關
展望
總之，基于滑移鐵電的鐵電存儲器件晶體管表現出優異的抗疲勞性能，其應力時間高達105 s。理論計算表明，抗疲勞特性可歸因于三個方面的綜合影響：電荷缺陷在極化翻轉過程中的不可動性、電荷缺陷對疇壁運動的釘扎作用可忽略不計以及超低的極化翻轉勢壘。因此，有理由推測抗疲勞是滑動鐵電的本征屬性，抗疲勞的滑動鐵電特性為解決鐵電器件應用的關鍵障礙提供了一條途徑。
參考文獻：
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
