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據(jù)悉,中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。(完)

針對(duì)這一問(wèn)題,何日與團(tuán)隊(duì)研究員鐘志誠(chéng)通過(guò)理論計(jì)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(tuán)隊(duì)基于滑移鐵電機(jī)制,制備出了無(wú)疲勞的二維層狀滑移鐵電材料。

尤其是近年來(lái),在航空航天、深海探測(cè)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(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行存儲(chǔ)、傳感、驅(qū)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵任務(wù),鐵電材料會(huì)受到外場(chǎng)的反復(fù)加載。

這意味著,以存儲(chǔ)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(chǔ)器一般可讀寫幾萬(wàn)次,而使用新型二維層狀滑移鐵電材料的存儲(chǔ)器則無(wú)讀寫次數(shù)限制。

爱游戏官网入口中新網(wǎng)寧波6月7日電(林波)6月7日,中國(guó)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合在國(guó)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(jī)制開發(fā)抗疲勞鐵電材料)的研究文章,對(duì)外宣布聯(lián)合創(chuàng)制出無(wú)疲勞鐵電材料,有望實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器無(wú)限次數(shù)擦寫。

鐵電材料是一種常見(jiàn)的功能材料,因其晶體中正負(fù)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(chǎng)所調(diào)控,小到打火機(jī)、麥克風(fēng)、耳機(jī)、存儲(chǔ)器等,大到驅(qū)動(dòng)器、能量轉(zhuǎn)換器、濾波器、制動(dòng)器、減震器等都離不開鐵電材料,它也是航空動(dòng)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。

何日說(shuō):“因此對(duì)于深海探測(cè)或航空航天重大裝備領(lǐng)域而言,無(wú)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?!?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),由于無(wú)需克服離子間的共價(jià)鍵,所以極化翻轉(zhuǎn)所需外加電場(chǎng)較小,不足以讓缺陷移動(dòng),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(dòng),所以缺陷更加不會(huì)聚集,也不會(huì)產(chǎn)生鐵電疲勞。

在電場(chǎng)下,鐵電材料中的每個(gè)晶格單元的極化翻轉(zhuǎn)不是同時(shí)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(guò)程中,材料中缺陷會(huì)移動(dòng)并聚集,久而久之就會(huì)聚集成缺陷團(tuán)簇,阻止極化翻轉(zhuǎn)的傳播過(guò)程,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。就像海浪卷起海水中的小石子,小石子會(huì)聚集成大礁石,阻止海浪的移動(dòng)。

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(wú)數(shù)個(gè)晶格單元,每個(gè)晶格單元內(nèi)都聚集了帶電離子,同時(shí)也存在很多缺陷,這些帶電離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)移動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。

“我們進(jìn)一步通過(guò)AI輔助的原子模擬,闡明了該機(jī)制實(shí)現(xiàn)無(wú)鐵電疲勞的原因?!睋?jù)何日介紹,滑移鐵電機(jī)制與傳統(tǒng)鐵電材料的離子移動(dòng)機(jī)制不同,滑移鐵電機(jī)制主要適用于二維層狀材料,在電場(chǎng)的作用下,層與層之間會(huì)產(chǎn)生滑移,同時(shí)層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移,進(jìn)而產(chǎn)生極化翻轉(zhuǎn)。

“傳統(tǒng)鐵電材料會(huì)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(huì)減小而導(dǎo)致其性能衰減,最終引發(fā)器件失效故障。”據(jù)該文章共同第一作者、中國(guó)科學(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)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。

研究發(fā)現(xiàn),在400萬(wàn)次循環(huán)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)極化以后,電學(xué)曲線測(cè)量表明,鐵電極化并沒(méi)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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