【研究背景】
随着摩尔定律的推进，晶体管持续小型化已接近物理极限，尤其是在功耗方面面临严峻挑战。传统晶体管在尺寸减小的同时，其功耗并未能实现等比例降低，严重制约了集成电路的发展。因此，寻找新的材料和技术以降低功耗成为亟待解决的课题。近年来，氧化物高k介电材料和铁电材料因其优越的电气特性在高密度纳米电子器件中备受关注。与传统的HfO2等材料相比，新型高k氧化物介电材料不仅具备更高的介电常数和更大的带隙，还能有效抑制量子隧穿效应，提升器件性能。然而，这些材料也面临界面退极化效应的问题，使得在纳米尺度下的应用受到限制。
近日，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以及剑桥大学John Robertson教授携手在这一领域取得了新进展。研究团队设计了岩盐矿结构（rs）BeO，成功实现了超高介电常数（271 ɛ0）和超宽带隙（10.6 eV）的同时存在。通过揭示rs-BeO中Be原子导致相邻氧原子的电子云高度重叠，产生的强烈库仑排斥力显著降低了原子间距，从而软化了光学声子模。这一创新理论突破了传统材料依赖长程库仑相互作用的限制，为解决界面退极化效应提供了有效途径。
研究团队利用这一新理论，显著提高了薄膜的铁电性能，并成功解释了在Si/SiO2基底上外延生长的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度减至2-3 nm时展现的铁电性“逆尺寸效应”。这一成果为通过拉升原子键长度、降低原子键强度的方式实现薄膜铁电相变提供了新的理论框架，对高k介电材料和铁电材料的设计与应用具有重要意义。
【研究亮点】
1）研究首次揭示了岩盐矿结构（rs）BeO同时具备超高介电常数（271 ɛ0）和超宽带隙（10.6 eV）的起源，提出通过拉升原子键长度降低化学键强度，从而实现光学声子软化的新理论。
2）实验通过分析rs-BeO中Be原子的尺寸效应和氧原子的电子云重叠，发现强烈的库仑排斥力导致原子间距增加，显著降低了原子键的强度和TO声子模频率。这一变化使得介电常数从闪锌矿相的3.2 ɛ0跃升至271 ɛ0，突破了传统材料的限制。
3）研究成功解释了在Si/SiO2基底上生长的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度减至2-3 nm时出现的“逆尺寸效应”，即薄膜在此厚度下因双轴应变降低了原子键强度，导致TO声子模软化并实现铁电相变。
4）该发现为高k介电材料和铁电材料的设计提供了新思路，提出通过离子半径差、应变、掺杂和晶格畸变等方法调节化学键强度，有助于发展兼容CMOS工艺的超高密度铁电和相变存储器件。
【图文解读】
图1: 各种氧化物的静态介电常数与带隙关系，以及岩盐和闪锌矿结构之间的晶体结构和动态特性。
图2: 在岩盐rocksalt ，rs-BeO中，第一最近邻nearest neighbours，NN原子间力的显著减少。
图3:在(101)晶面施加双轴应变时，ZrO2的动态性质。
图4:在Si衬底上，外延生长ZrO2和Hf0.8Zr0.2O2超薄膜中，从非极性t-相到铁电o-相的薄诱导铁电转变与外延应变诱导铁电转变比较。
【总结展望】
本研究揭示了短程化学键强度降低在光学声子模软化和铁电性不稳定性中的重要作用。通过分析Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2超薄膜的“逆”尺寸效应，研究表明，化学键的拉伸可以有效驱动光学声子模的软化，进而导致铁电相变。这一发现不仅反驳了以往对不当铁电性的误解，还为应变诱导的铁电性提供了新的理论框架。实验结果显示，施加双轴应变会显著影响材料的声子行为，进而改变其铁电性。这意味着，通过调控应变和化学键环境，能够优化材料性能，为柔性电子器件的开发开辟了新思路。
原文详情：
Cao, R., Yang, QL., Deng, HX. et al. Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization. Nature 634, 1080–1085 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08099-0
