通过晶体管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更高介电常数和更大带隙的新型高k氧化物介电材料，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)，突破传统晶体管室温60 mV/dec的亚阈值摆幅限制，进而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都源于光学声子软化。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超过短程原子键强度，这导致材料的介电常数与带隙成反比，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，难以应用于大规模集成的纳米尺度器件。
中国科学院半导体研究所骆军委研究员团队联合宁波东方理工大学魏苏淮教授，通过揭示岩盐矿结构(rs)BeO反常地同时拥有超高介电常数和超宽带隙的起源，创新性地提出通过拉升原子键降低化学键强度实现光学声子软化的新理论，并提出该新方法可以免于困扰传统铁电材料的界面退极化效应，成功解释了硅基外延HfO2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3 nm时才出现铁电性的“逆尺寸效应”。该纯理论的研究成果于2024年10月31日以“降低原子化学键强度引起免于退极化效应的光学声子软化(Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization)”为题发表在《自然(Nature)》杂志。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08099-0。
在本工作中，研究团队注意到rs-BeO反常地拥有10.6 eV的超宽带隙和介电常数高达271 ɛ0，远超HfO2的6 eV带隙和25 ɛ0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氧原子的电子云高度重叠，产生强烈的库仑排斥力拉升了原子间距，显著降低了原子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3.2 ɛ0（闪锌矿相中氧原子相距较远电子云重叠很小）跃升至271 ɛ0。基于这一发现，提出了通过拉升原子键长度来降低原子键强度，从而实现光学声子模软化的新理论。
