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　　10月30日，寧波(bo)東方(fang)理工大學(暫名)物理學院院長、講席教(jiao)授魏蘇淮，聯合中國(guo)科學院半(ban)導體研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)駱軍委(wei)研(yan)(yan)究(jiu)員、鄧惠雄研(yan)(yan)究(jiu)員研(yan)(yan)究(jiu)組，以“通過降低原子化學鍵強(qiang)度誘導的光學聲子軟(ruan)化避(bi)免(mian)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(yi)“應(ying)力(li)可以(yi)使節能(neng)儲存器件成為可能(neng)(Strain could enable energy-saving memories)”為題，介(jie)紹了這項研(yan)究(jiu)(jiu)成果。該研(yan)究(jiu)(jiu)為未來電子(zi)器件的(de)超小型化、高性能(neng)化開辟了新方(fang)向(xiang)，實現了基礎(chu)研(yan)究(jiu)(jiu)與(yu)應(ying)用相結合的(de)重大突破。

　　晶體(ti)管通過(guo)持(chi)續小型化提升集成度(du)的(de)摩爾定律已接近物理極限。主要瓶頸是晶體(ti)管功耗(hao)難以等比例(li)降(jiang)低。進一步降(jiang)低功耗(hao)有兩個(ge)主要途徑：

　　其一(yi)，尋找擁有比HfO2 等更(geng)高介(jie)(jie)電(dian)(dian)常數和更(geng)大帶隙的(de)新(xin)型高k氧化物介(jie)(jie)電(dian)(dian)材料，在確保不降(jiang)低柵控能力(li)的(de)前提(ti)下增厚柵介(jie)(jie)電(dian)(dian)層，遏制量子隧穿(chuan)效應引起(qi)的(de)柵極漏電(dian)(dian)流。

　　另一個途(tu)徑，是采用鐵電(dian)(dian)/電(dian)(dian)介質柵(zha)堆疊(die)的(de)負電(dian)(dian)容晶體管(NCFET)，實現更低的(de)工作(zuo)電(dian)(dian)壓和功(gong)耗。

　　氧(yang)化(hua)(hua)物高k介(jie)電常數(shu)和鐵(tie)電相變一個重要(yao)因素是光學(xue)聲子軟(ruan)化(hua)(hua)。通(tong)常認為，光學(xue)聲子軟(ruan)化(hua)(hua)來(lai)自(zi)強(qiang)Born有效(xiao)電荷引起的(de)長程庫倫相互作用和弱的(de)原子化(hua)(hua)學(xue)鍵，極化(hua)(hua)效(xiao)應(ying)導(dao)致材(cai)料(liao)的(de)介(jie)電常數(shu)與帶隙(xi)(xi)通(tong)常成(cheng)反比，難(nan)以(yi)同時擁有高介(jie)電常數(shu)和大帶隙(xi)(xi)。此(ci)外，鐵(tie)電材(cai)料(liao)受限(xian)于強(qiang)Born有效(xiao)電荷引起的(de)界面退極化(hua)(hua)效(xiao)應(ying)，使其難(nan)以(yi)應(ying)用于大規模集成(cheng)的(de)納米(mi)尺度器(qi)件。

　　研(yan)(yan)究(jiu)團(tuan)隊注意到，rs-BeO反常(chang)(chang)(chang)地擁有(you)10.6eV的(de)(de)超寬帶(dai)隙(xi)(xi)，并且其(qi)介(jie)(jie)電(dian)(dian)常(chang)(chang)(chang)數高達(da)271?0，遠超HfO2的(de)(de)6eV帶(dai)隙(xi)(xi)和(he)25?0介(jie)(jie)電(dian)(dian)常(chang)(chang)(chang)數。研(yan)(yan)究(jiu)揭示(shi)，由于rs-BeO中(zhong)的(de)(de)Be原子(zi)(zi)很(hen)小(xiao)，導(dao)致(zhi)(zhi)相(xiang)鄰(lin)兩(liang)個負(fu)氧(yang)離子(zi)(zi)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)云高度重(zhong)疊(die)，產生強烈(lie)的(de)(de)庫(ku)侖排斥(chi)力(li)，拉升了Be-O的(de)(de)原子(zi)(zi)間距，顯著(zhu)降低(di)了Be-O鍵的(de)(de)強度和(he)光學聲子(zi)(zi)模(mo)頻率(lv)，導(dao)致(zhi)(zhi)其(qi)介(jie)(jie)電(dian)(dian)常(chang)(chang)(chang)數從閃(shan)(shan)鋅(xin)(xin)礦(kuang)相(xiang)的(de)(de)3.2?0(閃(shan)(shan)鋅(xin)(xin)礦(kuang)相(xiang)中(zhong)氧(yang)離子(zi)(zi)相(xiang)距較遠電(dian)(dian)子(zi)(zi)云重(zhong)疊(die)很(hen)小(xiao))躍升至271?0。

　　基于這一發現(xian)，研(yan)究團(tuan)隊提出，通(tong)過(guo)拉升原(yuan)子鍵長度來降低原(yuan)子鍵強度，可(ke)(ke)有效(xiao)(xiao)地實現(xian)光學聲(sheng)子模軟(ruan)(ruan)化(hua)(hua)。進一步研(yan)究發現(xian)，通(tong)過(guo)該方(fang)式誘導的光學聲(sheng)子模軟(ruan)(ruan)化(hua)(hua)驅動的鐵(tie)電(dian)相變，不依賴傳統鐵(tie)電(dian)相變所需的強庫侖相互(hu)作用，因(yin)此(ci)可(ke)(ke)以有效(xiao)(xiao)避(bi)免界面退極化(hua)(hua)效(xiao)(xiao)應。

　　研(yan)究團隊利用上述理論，成(cheng)功解(jie)釋了在(zai)Si/SiO2襯(chen)底上外延生(sheng)長的(de)(de)Hf0.8Zr0.2O2和ZrO2薄(bo)膜在(zai)厚度降低(di)(di)到2-3nm時才出現鐵電性的(de)(de)“逆尺寸效應”，即(ji)：當Hf0.8Zr0.2O2或ZrO2薄(bo)膜減薄(bo)至(zhi)(zhi)2-3nm時，襯(chen)底晶格失配對外延薄(bo)膜施(shi)加(jia)的(de)(de)雙(shuang)軸應變(bian)，顯著地(di)降低(di)(di)原子鍵強度，軟化光學(xue)聲子模(mo)使其(qi)頻率降低(di)(di)至(zhi)(zhi)零因而導致鐵電相變(bian)。理論預測的(de)(de)長寬比和面間距兩個特征結(jie)構因子可以(yi)完美重復實驗測量值。

　　由于離(li)子半(ban)徑(jing)差異(yi)、應變、摻(chan)雜和晶格畸變都可以拉升原子鍵長度(du)降(jiang)低原子鍵強度(du)，該發現(xian)(xian)為通過(guo)離(li)子半(ban)徑(jing)差異(yi)、應變、摻(chan)雜或(huo)晶格畸變等手段來實現(xian)(xian)薄膜鐵電相變，提供了統一(yi)的理(li)論框(kuang)架。

　　由(you)于光(guang)學聲子模(mo)軟化(hua)是凝聚態物(wu)理中的高k介電材(cai)料、鐵電材(cai)料、熱電材(cai)料和多(duo)鐵材(cai)料等實現的關鍵因素，所以該研(yan)究成果為設計晶體管(guan)高k介電層(ceng)和發展兼容CMOS工藝的超(chao)高密(mi)度鐵電、相變存(cun)儲(chu)等新(xin)(xin)原理器件提供了(le)新(xin)(xin)思路，為未來電子器件的超(chao)小型化(hua)、高性能(neng)化(hua)開(kai)辟了(le)新(xin)(xin)方(fang)向。

圖. ZrO2在(101)平面(mian)雙軸應變作用下的動力學特性。

　　半(ban)導體研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)曹茹月(yue)博士(shi)為論(lun)文第一作者(zhe)；寧波東方理(li)工大(da)學(xue)(xue)(暫名)魏蘇淮(huai)教授(shou)和(he)半(ban)導體研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)駱軍(jun)委研(yan)(yan)究(jiu)員、鄧(deng)惠雄研(yan)(yan)究(jiu)員為共同通訊(xun)作者(zhe)。其(qi)他合作者(zhe)還包括劍橋(qiao)大(da)學(xue)(xue)John Robertson教授(shou)。

　　文章鏈接：

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

魏蘇淮

講席教授

寧波東方理(li)工(gong)大學(暫名(ming))物理(li)學院(yuan)院(yuan)長

　　魏蘇淮1981年(nian)獲得復旦大學物(wu)理(li)學學士(shi)(shi)學位，1985年(nian)獲得美(mei)國(guo)威廉瑪麗學院(College of William and Mary)理(li)學博士(shi)(shi)學位。2015年(nian)全職回國(guo)后(hou)擔(dan)任北京計算科(ke)學研究中(zhong)心講席教授，材(cai)料與能源(yuan)研究部主任。他是美(mei)國(guo)物(wu)理(li)學會會士(shi)(shi)(APS Fellow，1999)，國(guo)際材(cai)料學會(MRS Fellow，2014)會士(shi)(shi)。

　　魏蘇淮為科技部(bu)重點(dian)研發計劃首(shou)席科學家，主持基金委重大(da)項目。他還(huan)擔任了國(guo)際三(san)元和多元化合物(wu)會議(ICTMC-22)和國(guo)際半導體缺(que)陷(xian)會議(ICDS-33)大(da)會主席。截(jie)至2024年10月，已發表論文600余(yu)篇(pian)，其中(zhong)70余(yu)篇(pian)發表在《物(wu)理評(ping)論快報》(Physical Review Letters)上，被引用次(ci)數超過(guo)80000次(ci)，H指數大(da)于137(Google Scholar)。

　　魏蘇淮長期從(cong)事凝聚態物(wu)理(li)的(de)(de)理(li)論計(ji)算(suan)(suan)(suan)研究，通過發展第一(yi)(yi)性(xing)原(yuan)理(li)計(ji)算(suan)(suan)(suan)方(fang)法(fa)(fa)，在半導(dao)體(ti)的(de)(de)電(dian)子(zi)結(jie)構、無序合金、缺(que)陷(xian)和摻雜(za)(za)、磁(ci)性(xing)半導(dao)體(ti)、光電(dian)及能(neng)源材(cai)料等方(fang)面取得了(le)系統的(de)(de)原(yuan)創性(xing)成果。他(ta)與(yu)(yu)合作(zuo)(zuo)者發展的(de)(de)第一(yi)(yi)性(xing)原(yuan)理(li)全電(dian)子(zi)、全勢的(de)(de)FLAPW方(fang)法(fa)(fa)是(shi)目(mu)前計(ji)算(suan)(suan)(suan)固(gu)體(ti)電(dian)子(zi)結(jie)構最(zui)精確(que)的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)；他(ta)與(yu)(yu)合作(zuo)(zuo)者提出的(de)(de)計(ji)算(suan)(suan)(suan)無序合金物(wu)理(li)性(xing)質的(de)(de)特殊(shu)準隨(sui)機(ji)結(jie)構(SQS)方(fang)法(fa)(fa)是(shi)目(mu)前第一(yi)(yi)性(xing)原(yuan)理(li)計(ji)算(suan)(suan)(suan)合金性(xing)質的(de)(de)標(biao)準方(fang)法(fa)(fa)；他(ta)發展了(le)第一(yi)(yi)性(xing)原(yuan)理(li)半導(dao)體(ti)缺(que)陷(xian)計(ji)算(suan)(suan)(suan)方(fang)法(fa)(fa)，與(yu)(yu)合作(zuo)(zuo)者建立了(le)半導(dao)體(ti)平衡態摻雜(za)(za)極(ji)限定則。