橫向光學(xué)（TO）聲子的軟化，可以觸發(fā)鐵電相變，通常可以通過(guò)增強(qiáng)短程結(jié)合力上的遠(yuǎn)程庫(kù)侖相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，通過(guò)增加玻恩有效電荷。

然而，它受到去極化效應(yīng)的影響，因?yàn)檎T導(dǎo)鐵電性受到抑制，使宿主材料的尺寸減小到高密度納米級(jí)電子學(xué)。

在此，來(lái)自東方理工大學(xué)的魏蘇淮和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所&中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的鄧惠雄&駱軍委等研究者提出了另一種驅(qū)動(dòng)TO聲子軟化的途徑，表明巖鹽結(jié)構(gòu)超寬帶隙BeO中的異常軟TO聲子主要是由于電子云重疊引起的庫(kù)倫排斥引起的Be-O鍵拉伸導(dǎo)致的短程鍵相互作用的大幅減少，這是由相鄰的兩個(gè)氧離子之間的庫(kù)倫排斥引起的，這兩個(gè)氧離子以八面體形式排列在一個(gè)極小的Be離子周?chē)Ｏ嚓P(guān)論文以題為“Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization”于2024年10月30日發(fā)表在Nature上。

在凝聚態(tài)物理中，TO聲子頻率的顯著降低具有基礎(chǔ)性的意義，因?yàn)樗c鐵電相變、相變材料、高介電常數(shù)電介質(zhì)以及更好的熱電性能等現(xiàn)象密切相關(guān)。

TO聲子的軟化傳統(tǒng)上被認(rèn)為完全依賴(lài)于巨大的波恩動(dòng)態(tài)電荷（Z*）所引發(fā)的異常強(qiáng)的長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用或共振鍵合的主導(dǎo)作用，而非短程鍵合力。

由于與電場(chǎng)的強(qiáng)耦合，這種軟化使相關(guān)特性對(duì)疇結(jié)構(gòu)、缺陷和邊界條件的細(xì)節(jié)非常敏感。尤其是在尺寸減小的情況下，鐵電鈣鈦礦材料會(huì)受到表面電荷不完全屏蔽所引起的去極化效應(yīng)的影響，從而抑制鐵電性或顯著降低超薄膜的介電常數(shù)，限制了其在高密度納米電子學(xué)中的潛在優(yōu)勢(shì)。

此外，強(qiáng)長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用還限制了絕緣體的帶隙（E_g）和靜態(tài)介電常數(shù)（ε_s）之間的反向關(guān)系的解耦。然而，最近在寬帶隙（E_g?= 10.6 eV）巖鹽結(jié)構(gòu)的氧化鈹（rs-BeO）中發(fā)現(xiàn)了約為271??（??為真空介電常數(shù)）的意外大靜態(tài)介電常數(shù)以及極低的TO頻率，而更穩(wěn)定的閃鋅礦結(jié)構(gòu)氧化鈹（zb-BeO）中靜態(tài)介電常數(shù)卻較小（3.16??），這一結(jié)果與其9.3 eV的大帶隙所引出的通常預(yù)期相一致。

這一出人意料的現(xiàn)象啟發(fā)了研究者探索其他方式來(lái)軟化TO模式，以克服強(qiáng)長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用所帶來(lái)的不利影響

在此，研究者證明了導(dǎo)致rs-BeO中TO模式軟化的原因是短距離結(jié)合力的顯著減弱，而不是遠(yuǎn)程庫(kù)侖相互作用的異常增強(qiáng)。圖1a顯示了三種氧化物的帶隙與靜態(tài)介電常數(shù)的關(guān)系，包括鈣鈦礦氧化物ABO₃、堿土金屬二元氧化物AO和二元柵極氧化物（其中A和B是陽(yáng)離子）。

在各向同性半導(dǎo)體中，除rs-BeO外，所有氧化物的帶隙值與靜態(tài)介電常數(shù)呈大致反比關(guān)系。rs-BeO中異常大的ε_s已被認(rèn)為與布里淵區(qū)中心的TO聲子頻率ω_TO相對(duì)于鋅閃鋅礦結(jié)構(gòu)的zb-BeO的顯著下降有關(guān)，如圖1b所示。經(jīng)典的彈簧振子模型將立方體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)介電常數(shù)與to聲子頻率聯(lián)系起來(lái)。

研究者進(jìn)一步證明了在晶格不匹配的SiO₂/Si襯底上外延生長(zhǎng)的應(yīng)變誘導(dǎo)鈣鈦礦BaZrO₃和超薄HfO₂和ZrO₂薄膜中出現(xiàn)了強(qiáng)大的鐵電性，這是由于雙軸應(yīng)變誘導(dǎo)拉伸鍵的短距離鍵合強(qiáng)度降低導(dǎo)致TO聲子的軟化。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了通過(guò)使用離子半徑差、應(yīng)變、摻雜和晶格畸變來(lái)調(diào)整化學(xué)鍵，從而在無(wú)退極化場(chǎng)的超薄膜中增強(qiáng)鐵電性的統(tǒng)一理論。

圖1 比較各種氧化物的帶隙與靜態(tài)介電常數(shù)的關(guān)系，以及巖鹽和鋅閃鋅礦結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性。

圖2 rs-BeO中第一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原子間相互作用力的顯著降低。

圖3 （101）平面雙軸應(yīng)變作用下ZrO₂的動(dòng)態(tài)特性。

圖4 在Si襯底外延生長(zhǎng)的ZrO₂和Hf_0.8Zr_0.2O₂超薄薄膜中，從非極性t相到鐵電o相的薄膜誘導(dǎo)鐵電轉(zhuǎn)變與外延應(yīng)變誘導(dǎo)鐵電轉(zhuǎn)變的比較。

綜上所述，發(fā)現(xiàn)原子間鍵合強(qiáng)度的降低提供了另一種方法來(lái)驅(qū)動(dòng)TO模式的軟化，而不是在硅襯底上外延生長(zhǎng)的Hf_0.8Zr_0.2O₂和ZrO₂超薄膜中有害的退極化效應(yīng)順序，這些超薄膜是由鍵拉伸引起的原子間鍵合強(qiáng)度的降低引起的TO模式軟化引起的，研究者的理論可以給出一個(gè)統(tǒng)一的圖像。

鈣鈦礦氧化物中雜質(zhì)原子誘導(dǎo)和局部晶格畸變誘導(dǎo)的鐵電性以及硅上HfO₂和ZrO₂超薄膜中的鐵電性。特別是，研究者證明了應(yīng)變的HfO₂和ZrO₂都是具有一階鐵電相變的適當(dāng)鐵電體，從而反駁了基于錯(cuò)誤鐵電性假設(shè)的觀點(diǎn)。

研究者還通過(guò)施加雙軸應(yīng)變證明了這種鍵合-還原誘導(dǎo)的TO模式軟化在AOs和鈣鈦礦氧化物BaTiO₃、BZO、SrTiO₃和PbTiO₃中的鐵電相變。