通過晶體管持續(xù)小型化以提升集成度的摩爾定律已接近物理極限，但主要問題在于晶體管功耗難以等比例降低。有研究提出，進(jìn)一步降低功耗有兩種途徑。一是尋找擁有比二氧化鉿（HfO2）更高介電常數(shù)和更大帶隙的新型高k氧化物介電材料；二是采用鐵電/電介質(zhì)柵堆疊的負(fù)電容晶體管，降低晶體管的工作電壓和功耗。氧化物高k介電常數(shù)和鐵電相變均源于光學(xué)聲子軟化。此前，科學(xué)家認(rèn)為，只有當(dāng)Born有效電荷足夠強(qiáng)以使得長程庫倫作用超越短程原子鍵強(qiáng)度時，才會出現(xiàn)光學(xué)聲子軟化，但強(qiáng)Born有效電荷導(dǎo)致材料的介電常數(shù)與帶隙成反比，難以同時擁有高介電常數(shù)和大帶隙，引起界面退極化效應(yīng)，限制了材料的應(yīng)用。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員駱軍委團(tuán)隊聯(lián)合寧波東方理工大學(xué)教授魏蘇淮，揭示了巖鹽礦結(jié)構(gòu)氧化鈹（rsBeO）反常地同時擁有超高介電常數(shù)和超寬帶隙的起源，提出了通過拉升原子鍵降低化學(xué)鍵強(qiáng)度、實現(xiàn)光學(xué)聲子軟化的新理論。10月31日，相關(guān)研究成果以《降低原子化學(xué)鍵強(qiáng)度引起免于退極化效應(yīng)的光學(xué)聲子軟化》（Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization）為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。

研究發(fā)現(xiàn)，rs-BeO反常地?fù)碛?0.6 eV的超寬帶隙和高達(dá)271 ɛ0的介電常數(shù)，超過HfO2的6 eV帶隙和25 ɛ0介電常數(shù)。研究顯示，rs-BeO中的Be原子較小，導(dǎo)致相鄰兩個氧原子的電子云高度重疊，同時，產(chǎn)生的強(qiáng)烈?guī)靵雠懦饬�拉升了原子間距，降低了原子鍵的強(qiáng)度和光學(xué)聲子模頻率，致使其介電常數(shù)從閃鋅礦相的3.2 ɛ0躍升至271 ɛ0。基于這一發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊提出了通過拉升原子鍵長度來降低原子鍵強(qiáng)度從而實現(xiàn)光學(xué)聲子模軟化的新理論。

這一光學(xué)聲子模軟化驅(qū)動的鐵電相變不依賴傳統(tǒng)鐵電相變所需的強(qiáng)庫侖作用，可以避免界面退極化效應(yīng)。該研究利用上述理論解釋了在Si/SiO2襯底上外延生長的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度降低到2至3nm時才出現(xiàn)鐵電性的“逆尺寸效應(yīng)”（隨著材料尺寸減小，鐵電性反而增強(qiáng)）：當(dāng)Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄膜減薄至2至3nm時，襯底晶格失配對外延薄膜施加顯著的雙軸應(yīng)變進(jìn)而降低原子鍵強(qiáng)度，而軟化TO聲子模使其振動頻率降低至零，導(dǎo)致鐵電相變。同時，理論預(yù)測的長寬比和面間距兩個特征結(jié)構(gòu)因子可以重復(fù)實驗測量值。

離子半徑差異、應(yīng)變、摻雜和晶格畸變等常規(guī)手段均可以拉升原子鍵長度降低原子鍵強(qiáng)度。該成果為解決集成電路晶體管高k介電材料、鐵電材料應(yīng)用的難點(diǎn)以及發(fā)展兼容CMOS工藝的超高密度鐵電、相變存儲等新原理器件提供了新思路。

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ZrO2在(101)平面雙軸應(yīng)變作用下的動力學(xué)特性

研究工作得到國家自然科學(xué)基金國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家重大科研儀器研制項目和重大項目，中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃和戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08099-0