中国科学院，最新Nature！

横向光学（TO）声子的软化，可以触发铁电相变，通常可以通过增强短程结合力上的远程库仑相互作用来实现，例如，通过增加玻恩有效电荷。

然而，它受到去极化效应的影响，因为诱导铁电性受到抑制，使宿主材料的尺寸减小到高密度纳米级电子学。

在此，来自东方理工大学的魏苏淮和中国科学院半导体研究所&中国科学院大学的邓惠雄&骆军委等研究者提出了另一种驱动TO声子软化的途径，表明岩盐结构超宽带隙BeO中的异常软TO声子主要是由于电子云重叠引起的库伦排斥引起的Be-O键拉伸导致的短程键相互作用的大幅减少，这是由相邻的两个氧离子之间的库伦排斥引起的，这两个氧离子以八面体形式排列在一个极小的Be离子周围。相关论文以题为“Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization”于2024年10月30日发表在Nature上。

在凝聚态物理中，TO声子频率的显著降低具有基础性的意义，因为它与铁电相变、相变材料、高介电常数电介质以及更好的热电性能等现象密切相关。

TO声子的软化传统上被认为完全依赖于巨大的波恩动态电荷（Z*）所引发的异常强的长程库仑相互作用或共振键合的主导作用，而非短程键合力。

由于与电场的强耦合，这种软化使相关特性对畴结构、缺陷和边界条件的细节非常敏感。尤其是在尺寸减小的情况下，铁电钙钛矿材料会受到表面电荷不完全屏蔽所引起的去极化效应的影响，从而抑制铁电性或显著降低超薄膜的介电常数，限制了其在高密度纳米电子学中的潜在优势。

此外，强长程库仑相互作用还限制了绝缘体的带隙（E_g）和静态介电常数（ε_s）之间的反向关系的解耦。然而，最近在宽带隙（E_g = 10.6 eV）岩盐结构的氧化铍（rs-BeO）中发现了约为271ɛ₀（ɛ₀为真空介电常数）的意外大静态介电常数以及极低的TO频率，而更稳定的闪锌矿结构氧化铍（zb-BeO）中静态介电常数却较小（3.16ɛ₀），这一结果与其9.3 eV的大带隙所引出的通常预期相一致。

这一出人意料的现象启发了研究者探索其他方式来软化TO模式，以克服强长程库仑相互作用所带来的不利影响

在此，研究者证明了导致rs-BeO中TO模式软化的原因是短距离结合力的显著减弱，而不是远程库仑相互作用的异常增强。图1a显示了三种氧化物的带隙与静态介电常数的关系，包括钙钛矿氧化物ABO₃、碱土金属二元氧化物AO和二元栅极氧化物（其中A和B是阳离子）。

在各向同性半导体中，除rs-BeO外，所有氧化物的带隙值与静态介电常数呈大致反比关系。rs-BeO中异常大的ε_s已被认为与布里渊区中心的TO声子频率ω_TO相对于锌闪锌矿结构的zb-BeO的显著下降有关，如图1b所示。经典的弹簧振子模型将立方体结构的静态介电常数与to声子频率联系起来。

研究者进一步证明了在晶格不匹配的SiO₂/Si衬底上外延生长的应变诱导钙钛矿BaZrO₃和超薄HfO₂和ZrO₂薄膜中出现了强大的铁电性，这是由于双轴应变诱导拉伸键的短距离键合强度降低导致TO声子的软化。

这些发现揭示了通过使用离子半径差、应变、掺杂和晶格畸变来调整化学键，从而在无退极化场的超薄膜中增强铁电性的统一理论。

图1 比较各种氧化物的带隙与静态介电常数的关系，以及岩盐和锌闪锌矿结构的晶体结构和动态特性。

图2 rs-BeO中第一神经网络原子间相互作用力的显著降低。

图3 （101）平面双轴应变作用下ZrO₂的动态特性。

图4 在Si衬底外延生长的ZrO₂和Hf_0.8Zr_0.2O₂超薄薄膜中，从非极性t相到铁电o相的薄膜诱导铁电转变与外延应变诱导铁电转变的比较。

综上所述，发现原子间键合强度的降低提供了另一种方法来驱动TO模式的软化，而不是在硅衬底上外延生长的Hf_0.8Zr_0.2O₂和ZrO₂超薄膜中有害的退极化效应顺序，这些超薄膜是由键拉伸引起的原子间键合强度的降低引起的TO模式软化引起的，研究者的理论可以给出一个统一的图像。

钙钛矿氧化物中杂质原子诱导和局部晶格畸变诱导的铁电性以及硅上HfO₂和ZrO₂超薄膜中的铁电性。特别是，研究者证明了应变的HfO₂和ZrO₂都是具有一阶铁电相变的适当铁电体，从而反驳了基于错误铁电性假设的观点。

研究者还通过施加双轴应变证明了这种键合-还原诱导的TO模式软化在AOs和钙钛矿氧化物BaTiO₃、BZO、SrTiO₃和PbTiO₃中的铁电相变。