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)家認為,，只有當(dāng)Born有效電荷足夠強以使得長程庫倫作用超越短程原子鍵強度時，才會出現(xiàn)光學(xué)聲子軟化,，但強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**團隊聯(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反常地擁有10.6 eV的超寬帶隙和高達271 ?0的介電常數(shù),，超過HfO2的6 eV帶隙和25 ?0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)生的強烈?guī)靵雠懦饬嗽娱g距,，降低了原子鍵的強度和光學(xué)聲子模頻率,，致使其介電常數(shù)從閃鋅礦相的3.2 ?0躍升至271 ?0?；谶@一發(fā)現(xiàn),，該團隊提出了通過拉升原子鍵長度來降低原子鍵強度從而實現(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）：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)變進而降低原子鍵強度,，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,。

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)域青年團隊計劃和戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持,。