光學聲子軟化是光學聲子的振動由“激昂強烈”變得“緩慢柔和”的現象，一般會引起材料的界面退極化效應，但通過拉升原子鍵降低化學鍵強度實現光學聲子軟化可以有效避免界面退極化效應，解決集成電路器件的應用難點，以及發(fā)展新原理器件具有重要意義。

光學聲子軟化，是凝聚態(tài)物理中非常重要的現象，與材料介電常數、晶體結構相變、鐵電性相變、熱電材料的熱導率等重要領域相關。

但長期以來理論認為，光學聲子軟化的產生會同時引發(fā)材料的界面退極化效應，嚴重限制材料在納米尺度器件大規(guī)模集成的實際應用。

近日，中國科學院半導體研究所提出一種光學聲子軟化新理論，能避免過去八十年來理論認為無法克服的界面退極化效應，有望以源頭理論創(chuàng)新，推動高密度電子器件的設計與研發(fā)，該成果發(fā)表于《自然》。

01 傳統(tǒng)認知中的雙刃劍

什么是光學聲子軟化？晶體中的原子并不是靜止不動的，光學聲子，是晶體中正負離子相對振動時產生的一種特殊聲子模式。當晶體光學聲子模的振動頻率不斷降低直至零以下時，會導致晶格的動態(tài)不穩(wěn)定，這種現象就是“光學聲子軟化”。形象地說，光學聲子軟化，就是光學聲子的振動由“激昂強烈”變得“緩慢柔和”的現象。

然而，長期以來的認知卻使光學聲子軟化的“潛能”得不到發(fā)揮，通常認為只有當長程庫倫作用（較長距離范圍內帶電粒子之間的靜電相互作用）較強、超越短程原子鍵強度時，才會產生光學聲子軟化。

這一過程也會產生“副作用”，引起界面的退極化效應，導致鐵電性在納米尺度消失，以及材料難以同時擁有高介電常數和大帶隙。這猶如一道無法跨越的障礙，嚴重限制了技術的進一步發(fā)展。

02 反常中獲得新突破

科研人員在工作中注意到，巖鹽礦結構的氧化鈹（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，均遠高于當前集成電路中使用的新型高k氧化物介電材料二氧化鉿（HfO2）的帶隙（6 eV）和介電常數（25??0）。

通過進一步研究，科研人員揭示出這一反常的起源：由于rs-BeO中的Be原子很小導致相鄰兩個氧原子的電子云高度重疊，產生強烈的庫侖排斥力，拉升了原子間距，顯著降低了原子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（閃鋅礦相中相鄰氧原子相距較遠電子云重疊很?。┸S升至271??0。

▲巖鹽礦(rs-) BeO的反?，F象及起源

基于這一發(fā)現，科研人員創(chuàng)新性地提出，通過拉升原子鍵降低化學鍵強度實現光學聲子軟化的新理論。由于這一光學聲子軟化驅動的鐵電相變不依賴于強庫侖作用，因此可以有效避免界面退極化效應。

離子半徑差異、應變、摻雜、晶格畸變等現有的常規(guī)、成熟路徑，都可以拉升原子鍵長度降低原子鍵強度。也就是說，這一光學聲子軟化方案具備從理論轉向應用的實現基礎。

03 新技術應時而生

眾所周知的“??摩爾定律”認為，?集成電路上可以容納的?晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。然而，每過一段時間，摩爾定律就會遇到新的障礙，陷入止步不前的局面，應變硅、高k柵介電層、FinFET晶體管等創(chuàng)新不斷地拯救摩爾定律。

當前，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，主要問題在于晶體管功耗難以等比例降低。

新的光學聲子軟化理論，對于解決集成電路晶體管高k介電材料、鐵電材料的應用難點，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具有重要意義。

相信在不久的將來，這一新理論成果將在高密存儲器、傳感器和納米電子器件中得到廣泛應用，為我們的生活創(chuàng)造更多便利。