10月30日，寧波東方理工大學(暫名)物理學院院長、講席教授魏蘇淮，聯合中國科學院半導體研究所駱軍委研究員、鄧惠雄研究員研究組，以“通過降低原子化學鍵強度誘導的光學聲子軟化避免退極化效應(Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization)”為題的論文，發表在《Nature》雜志。

　　《Nature》也同期以“應力可以使節能儲存器件成為可能(Strain could enable energy-saving memories)”為題，介紹了這項研究成果。該研究為未來電子器件的超小型化、高性能化開辟了新方向，實現了基礎研究與應用相結合的重大突破。

　　晶體管通過持續小型化提升集成度的摩爾定律已接近物理極限。主要瓶頸是晶體管功耗難以等比例降低。進一步降低功耗有兩個主要途徑：

　　其一，尋找擁有比HfO2 等更高介電常數和更大帶隙的新型高k氧化物介電材料，在確保不降低柵控能力的前提下增厚柵介電層，遏制量子隧穿效應引起的柵極漏電流。

　　另一個途徑，是采用鐵電/電介質柵堆疊的負電容晶體管(NCFET)，實現更低的工作電壓和功耗。

　　氧化物高k介電常數和鐵電相變一個重要因素是光學聲子軟化。通常認為，光學聲子軟化來自強Born有效電荷引起的長程庫倫相互作用和弱的原子化學鍵，極化效應導致材料的介電常數與帶隙通常成反比，難以同時擁有高介電常數和大帶隙。此外，鐵電材料受限于強Born有效電荷引起的界面退極化效應，使其難以應用于大規模集成的納米尺度器件。

　　研究團隊注意到，rs-BeO反常地擁有10.6eV的超寬帶隙，并且其介電常數高達271?0，遠超HfO2的6eV帶隙和25?0介電常數。研究揭示，由于rs-BeO中的Be原子很小，導致相鄰兩個負氧離子的電子云高度重疊，產生強烈的庫侖排斥力，拉升了Be-O的原子間距，顯著降低了Be-O鍵的強度和光學聲子模頻率，導致其介電常數從閃鋅礦相的3.2?0(閃鋅礦相中氧離子相距較遠電子云重疊很小)躍升至271?0。

　　基于這一發現，研究團隊提出，通過拉升原子鍵長度來降低原子鍵強度，可有效地實現光學聲子模軟化。進一步研究發現，通過該方式誘導的光學聲子模軟化驅動的鐵電相變，不依賴傳統鐵電相變所需的強庫侖相互作用，因此可以有效避免界面退極化效應。

　　研究團隊利用上述理論，成功解釋了在Si/SiO2襯底上外延生長的Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄膜在厚度降低到2-3nm時才出現鐵電性的“逆尺寸效應”，即：當Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄膜減薄至2-3nm時，襯底晶格失配對外延薄膜施加的雙軸應變，顯著地降低原子鍵強度，軟化光學聲子模使其頻率降低至零因而導致鐵電相變。理論預測的長寬比和面間距兩個特征結構因子可以完美重復實驗測量值。

　　由于離子半徑差異、應變、摻雜和晶格畸變都可以拉升原子鍵長度降低原子鍵強度，該發現為通過離子半徑差異、應變、摻雜或晶格畸變等手段來實現薄膜鐵電相變，提供了統一的理論框架。

　　由于光學聲子模軟化是凝聚態物理中的高k介電材料、鐵電材料、熱電材料和多鐵材料等實現的關鍵因素，所以該研究成果為設計晶體管高k介電層和發展兼容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，為未來電子器件的超小型化、高性能化開辟了新方向。

圖. ZrO2在(101)平面雙軸應變作用下的動力學特性。

　　半導體研究所曹茹月博士為論文第一作者；寧波東方理工大學(暫名)魏蘇淮教授和半導體研究所駱軍委研究員、鄧惠雄研究員為共同通訊作者。其他合作者還包括劍橋大學John Robertson教授。

　　文章鏈接：

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

魏蘇淮

講席教授

寧波東方理工大學(暫名)物理學院院長

　　魏蘇淮1981年獲得復旦大學物理學學士學位，1985年獲得美國威廉瑪麗學院(College of William and Mary)理學博士學位。2015年全職回國后擔任北京計算科學研究中心講席教授，材料與能源研究部主任。他是美國物理學會會士(APS Fellow，1999)，國際材料學會(MRS Fellow，2014)會士。

　　魏蘇淮為科技部重點研發計劃首席科學家，主持基金委重大項目。他還擔任了國際三元和多元化合物會議(ICTMC-22)和國際半導體缺陷會議(ICDS-33)大會主席。截至2024年10月，已發表論文600余篇，其中70余篇發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，被引用次數超過80000次，H指數大于137(Google Scholar)。

　　魏蘇淮長期從事凝聚態物理的理論計算研究，通過發展第一性原理計算方法，在半導體的電子結構、無序合金、缺陷和摻雜、磁性半導體、光電及能源材料等方面取得了系統的原創性成果。他與合作者發展的第一性原理全電子、全勢的FLAPW方法是目前計算固體電子結構最精確的方法；他與合作者提出的計算無序合金物理性質的特殊準隨機結構(SQS)方法是目前第一性原理計算合金性質的標準方法；他發展了第一性原理半導體缺陷計算方法，與合作者建立了半導體平衡態摻雜極限定則。