论文原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08099-0
题目：
提出无去极化的新方法：文章提出了一种不同于以往增强长程库仑相互作用的方法，来实现光学声子软化，进而推动铁电相变。这种新方法通过减少短程键合强度来引起声子软化，从而避免了传统方法中因去极化效应导致的铁电性抑制问题，尤其适用于高密度纳米级电子器件。
特殊材料rs-BeO的异态：研究发现rs-BeO的光学声子软化主要源于Be-O键拉伸所导致的短程键合力减弱。由于小的Be离子和八面体配位的O离子之间的电子云重叠，引发了氧离子之间的库仑排斥，从而显著削弱了第一近邻的键合力。这一现象使rs-BeO在没有去极化效应的情况下展现出巨大的静电介电常数和极低的声子频率。
应变引导的铁电性增强：在应变下，通过拉伸化学键使短程键合力减弱，成功实现了如BaZrO3、HfO2和ZrO2等薄膜材料的声子软化，进一步导致铁电相变。这一机制不仅适用于实验中发现的Hf0.8Zr0.2O2薄膜中的“反向”尺寸效应，还可用于解释各种铁电氧化物中由掺杂和晶格畸变引起的铁电性增强现象。
理想应用于超薄铁电膜：研究指出，通过调控BeO和其他氧化物的键长和短程键合强度，可以在超薄铁电膜中减小去极化效应。这为在硅基器件上构建新型超薄铁电存储器件提供了重要的理论基础，推动了高性能低功耗电子器件的发展。
图片：
图1，岩盐矿(rs-) BeO的反常现象及起源。对比带隙-介电常数关系。TO态指的是“横向光学声子模式”（Transverse Optical Phonon Mode）。TO模式是一种振动模式，特别是指在晶体中横向传播的光学声子（即电子不发生净电荷转移，但离子相对于彼此振动）。TO模式的软化（即降低振动频率）是关键，因为它直接影响了材料的铁电性。TO模式频率降低，表示键合强度减弱，这在该研究中是通过减少短程键合力而非增强长程库仑力来实现的。TO模式的软化通常与铁电相变有关，因为它能够触发晶体结构的畸变，从而导致铁电性出现。
图2、化学键分析主要关注于不同氧化物材料的键长差异对晶体结构和键合强度的影响，特别是对BeO的第一近邻键（第一NN）在rs-BeO结构中的减弱。图中对比了多种氧化物材料的经验估算键长（用符号
经验估算键长（
d emp d 实际键长（
d DFT
图3、ZrO₂在不同双轴应变（张应变和压应变）作用下的声子频率变化，特别是光学声子模式的软化，这直接关系到铁电性的增强。图中展示了在双轴应变下，ZrO₂从非极性四方相（t相）向铁电正交相（o相）转变的过程，并分析了关键的声子模式，包括LO、TO、LA和TA模式。
LO（纵向光学声子模式，Longitudinal Optical mode）：指电场方向与声子传播方向相同的光学声子模式。LO模式在材料的电学和光学特性中扮演重要角色，通常会由于长程库仑力而具有较高频率。
TO（横向光学声子模式，Transverse Optical mode）：指电场方向与声子传播方向垂直的光学声子模式。TO模式的软化通常是铁电性增强的关键因素，因为其频率的降低可以引发晶体结构的畸变，推动铁电相变。
LA（纵向声学声子模式，Longitudinal Acoustic mode）：在声子传播方向上振动的声学声子模式，通常涉及晶体内部的原子以低频方式振动，影响晶体的弹性特性。
TA（横向声学声子模式，Transverse Acoustic mode）：垂直于声子传播方向振动的声学声子模式，与晶体的机械和热特性密切相关。
应变引发的TO模式软化：图三展示了不同应变情况下，ZrO₂的TO模式频率逐渐降低，特别是在双轴张应变下，TO模式频率下降到接近零。这种软化现象表明应变可以有效调控ZrO₂的铁电性。
LO和其他模式的变化：随着应变增加，LO模式的频率略微变化，而LA和TA模式基本保持稳定。这表明，双轴应变对ZrO₂的光学声子模式影响显著，主要作用于TO模式。
图4，ZrO₂和Hf₀.₈Zr₀.₂O₂超薄膜在不同厚度和双轴应变作用下的结构特征变化，以解释它们从非极性四方相（t相）向铁电正交相（o相）转变的机制。具体来说，图四展示了在厚度或应变变化条件下，这些薄膜的晶格参数（包括长宽比和晶面间距）的变化，以确定铁电相变的临界点和转变范围。
厚度引起的铁电相变：图四a和c展示了实验数据，说明当ZrO₂和Hf₀.₈Zr₀.₂O₂的薄膜厚度减少到2-3纳米时，长宽比和晶面间距出现急剧增大。这一现象标志着材料从非极性四方相（t相）转变为铁电正交相（o相）。这种“反向”尺寸效应展示了极薄层下铁电性增强的趋势。
双轴应变诱导的结构变化：图四b和d展示了通过双轴张应变或压应变作用下，ZrO₂和HfO₂晶格参数的理论计算结果。随着应变增加，晶体结构的长宽比和晶面间距出现跳跃，标志着铁电相变的发生。具体来说，压应变导致的c/a长宽比增加更为显著，这与实验观测到的薄膜厚度减少导致的结构变化一致。
