Forscher am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen der University of Electronic Science and Technology of China und der Fudan University ein ermüdungsfreies ferroelektrisches Material auf der Basis gleitender Ferroelektrizität entwickelt. Das Studie ist veröffentlicht in Wissenschaft.
Ferroelektrische Materialien verfügen über eine umschaltbare spontane Polarisation, die durch ein externes elektrisches Feld umgekehrt werden kann. Diese Methode wird häufig bei nichtflüchtigen Speichern, Sensoren und Geräten zur Energieumwandlung angewendet.
Aufgrund der Ionenbewegung beim ferroelektrischen Schalten kommt es bei herkömmlichen ferroelektrischen Materialien zwangsläufig zu einer Ermüdung der ferroelektrischen Polarisation, wenn die Anzahl der Polarisationsumkehrzyklen zunimmt. Dies kann zu Leistungseinbußen und Geräteausfällen führen und somit die praktischen Einsatzmöglichkeiten ferroelektrischer Materialien einschränken.
Um dieses Ermüdungsproblem zu lösen, entwickelten die Forscher ein ermüdungsfreies ferroelektrisches System auf der Basis gleitender Ferroelektrizität. Ein zweischichtiges 3R-MoS2-Dual-Gate-Gerät wurde mithilfe der chemischen Dampftransportmethode hergestellt.
Nach 106 Schaltzyklen mit unterschiedlichen Impulsbreiten im Bereich von 1 ms bis 100 ms zeigten die ferroelektrischen Polarisationsdipole keinen Verlust, was darauf hindeutet, dass das Gerät seine Speicherleistung weiterhin beibehielt.
Im Vergleich zu kommerziellen ferroelektrischen Geräten weist dieses Gerät eine überlegene Gesamtspannungszeit von 105 s in einem elektrischen Feld auf und beweist damit seine hervorragende Lebensdauer.
Mithilfe eines neuartigen Potenzialmodells auf Basis maschinellen Lernens haben theoretische Berechnungen ergeben, dass die ermüdungsfreie Eigenschaft der gleitenden Ferroelektrizität auf ihre unbeweglichen geladenen Defekte zurückzuführen ist.
Diese Arbeit bietet eine innovative Lösung für die problematische Leistungsverschlechterung herkömmlicher Ferroelektrika.
Mehr Informationen:
Renji Bian et al., Entwicklung ermüdungsbeständiger Ferroelektrika durch Zwischenschicht-Gleitschaltung, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.ado1744. www.science.org/doi/10.1126/science.ado1744