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近日，西昌學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院曹桂銘副教授在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62304183）支持下，與電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院劉富才教授團(tuán)隊(duì)合作，作為主要合作者之一，在全球頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》于6月7日以 First Release 形式，在線發(fā)表了題為“Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching”最新研究成果。

利用非易失性存儲(chǔ)器構(gòu)筑存算一體架構(gòu)的類腦智能芯片，克服傳統(tǒng)芯片的馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)瓶頸，是有效解決現(xiàn)代信息技術(shù)中數(shù)據(jù)爆炸挑戰(zhàn)的重要途徑。鐵電材料具有電可切換的自發(fā)極化，可實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)態(tài)的快速寫入、無損讀取、低功耗操作，是發(fā)展高密度非易失性存儲(chǔ)器理想解決方案之一。然而，常規(guī)鐵電材料在反復(fù)經(jīng)歷極化切換時(shí)，常常伴隨著缺陷電荷的遷移，進(jìn)而聚集成缺陷團(tuán)簇（圖1A），造成對鐵電疇的釘扎，導(dǎo)致鐵電器件疲勞失效。因此，實(shí)現(xiàn)無疲勞鐵電極化轉(zhuǎn)換，提高器件耐久性，可極大推動(dòng)鐵電存儲(chǔ)器在類腦智能芯片中的發(fā)展應(yīng)用。

圖1 傳統(tǒng)鐵電和新型滑移鐵電的疲勞特性對比示意圖

針對傳統(tǒng)鐵電疲勞特性問題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種具有超強(qiáng)耐疲勞特性的新型鐵電體-范德華層狀滑移鐵電。不同于傳統(tǒng)鐵電極化的離子位移機(jī)制，滑移鐵電體在電場的作用下，范德華層狀材料的層與層之間產(chǎn)生整體滑移，同時(shí)層間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)面外極化翻轉(zhuǎn)（圖1B）。滑移鐵電器件在經(jīng)歷高達(dá)400萬次的循環(huán)電場極化翻轉(zhuǎn)后，鐵電極化并沒有發(fā)生任何衰減，呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞特性（圖2）。跨尺度原子模擬計(jì)算表明，層間滑移過程并不會(huì)導(dǎo)致帶電缺陷遷移和聚集，由此免于鐵電疲勞。理論上，滑移鐵電存儲(chǔ)器有望實(shí)現(xiàn)無限次讀寫操作。該項(xiàng)研究成果為解決鐵電材料在非易失性存儲(chǔ)器、存算一體器件及類腦計(jì)算芯片等新穎器件中的應(yīng)用，提供了一種具有競爭潛力的解決方案。

圖2 滑移鐵電器件疲勞特性表征