近日，中国科学院半导体研究所骆军委研究员、邓惠雄研究员研究组联合宁波东方理工大学（暂名）物理学院院长，讲席教授魏苏淮通过揭示岩盐矿结构rs-BeO反常超高介电常数的起源，创新性地提出通过拉升键长降低原子化学键强度实现光学声子软化，可以有效地避免困扰传统微纳铁电器件的界面退极化效应，成功解释了硅基外延HfO₂和ZrO₂薄膜在厚度降低时出现铁电性「逆尺寸效应」的根源。该纯理论研究成果于2024年10月31日以「通过降低原子化学键强度诱导的光学声子软化避免退极化效应（Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization）」为题发表在Nature杂志。该论文的发表为未来电子器件的超小型化、高性能化开辟了新方向，实现了基础研究与应用相结合的重大突破。半导体研究所曹茹月博士为论文第一作者；半导体研究所骆军委研究员、邓惠雄研究员和宁波东方理工大学魏苏淮教授为共同通讯作者。其他合作者还包括剑桥大学John Robertson教授。

晶体管通过持续小型化提升集成度的摩尔定律已接近物理极限。主要瓶颈是晶体管功耗难以等比例降低。进一步降低功耗有两个主要途径：其一是寻找拥有比HfO₂等更高介电常数和更大带隙的新型高k氧化物介电材料，在确保不降低栅控能力的前提下增厚栅介电层，遏制量子隧穿效应引起的栅极漏电流；另一个是采用铁电/电介质栅堆叠的负电容晶体管（NCFET），实现更低的工作电压和功耗。氧化物高k介电常数和铁电相变一个重要因素是光学声子软化。通常认为，光学声子软化来自强Born有效电荷引起的长程库伦相互作用和弱的原子化学键，极化效应导致材料的介电常数与带隙通常成反比，难以同时拥有高介电常数和大带隙。此外，铁电材料受限于强Born有效电荷引起的界面退极化效应，使其难以应用于大规模集成的纳米尺度器件。

在本工作中，研究团队注意到rs-BeO反常地拥有10.6 eV的超宽带隙并且其介电常数高达271ɛ0，远超HfO₂的6 eV带隙和25ɛ0介电常数。本工作揭示，由于rs-BeO中的Be原子很小导致相邻两个负氧离子的电子云高度重叠，产生强烈的库仑排斥力，拉升了Be-O的原子间距，显著降低了Be-O键的强度和光学声子模频率，导致其介电常数从闪锌矿相的3.2ɛ0（闪锌矿相中氧离子相距较远电子云重叠很小）跃升至271ɛ0。基于这一发现，研究团队提出了通过拉升原子键长度来降低原子键强度，可有效地实现光学声子模软化。进一步研究发现通过该方式诱导的光学声子模软化驱动的铁电相变不依赖传统铁电相变所需的强库仑相互作用，因此可以有效避免界面退极化效应。研究团队利用上述理论成功解释了在Si/SiO₂衬底上外延生长的Hf₀.₈Zr₀.₂O₂和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3 nm时才出现铁电性的「逆尺寸效应」：当Hf₀.₈Zr₀.₂O₂或ZrO₂薄膜减薄至2-3 nm时，衬底晶格失配对外延薄膜施加的双轴应变显著地降低原子键强度，软化光学声子模使其频率降低至零因而导致铁电相变。理论预测的长宽比和面间距两个特征结构因子可以完美重复实验测量值。

由于离子半径差异、应变、掺杂和晶格畸变都可以拉升原子键长度降低原子键强度，该发现为通过离子半径差异、应变、掺杂或晶格畸变等手段实现薄膜铁电相变提供了统一的理论框架。由于光学声子模软化是凝聚态物理中的高k介电材料、铁电材料、热电材料和多铁材料等实现的关键因素，所以本工作为设计晶体管高k介电层和发展兼容CMOS工艺的超高密度铁电、相变存储等新原理器件提供了新思路，为未来电子器件的超小型化、高性能化开辟了新方向。

ZrO₂在(101)平面双轴应变作用下的动力学特性。