华东师范大学段纯刚/童文旖团队：揭示铪基氧化物高介电机制，提出掺杂设计新准则

华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室在氧化铪基高介电材料设计方面取得重要进展。研究团队通过第一性原理计算，揭示了氧化铪四方相（T相）高介电常数的微观机制，并提出了一种对于铪基氧化物的“大尺寸、重质量、小电负性”掺杂原子的通用设计准则，成功预测铈（Ce）掺杂在稳定T相、提升介电常数方面的优越性能。相关成果以 “Design Rules for Improving Dielectric Constants of Hafnium-Based Oxides” 为题，于2026年2月3日正式发表在国产知名期刊《Journal of Materiomics》。

介电材料是集成电路、传感器与光电子器件的核心功能层，其介电常数直接影响器件性能与集成度。氧化铪（HfO₂）因其与CMOS工艺兼容、高热稳定性及可调电子特性，被视为取代传统SiO₂的理想高介电材料。然而，具有高介电常数的四方T相在常温常压下难以稳定存在，其介电性能的提升与稳定仍是该领域买面临的重要挑战。

为解决这一问题，研究团队从声子振动频率调控的角度入手，系统分析了HfO₂不同晶相（单斜M相、正交O相和四方T相）的介电特性。研究发现，T相HfO₂的高介电常数主要源于其面内方向特定红外活性声子模（Eu模式）的显著软化，而这一软化现象与Hf–O键长及原子质量密切相关。键长增长可减弱原子间相互作用力，软化声子频率；而质量越重的原子振动会越困难，同样有助于降低振动频率，从而提升介电响应。在此基础上，团队进一步探讨了稳定高配位数T相的关键因素。研究指出，掺杂原子与氧原子间的电负性差异越大，离子键合作用越强，越有利于形成并稳定高配位数的T相结构。因此，理想的掺杂原子应同时具备大原子尺寸（易引起晶格膨胀）、重原子质量（降低振动频率）和低电负性（增强离子键合）三大特征。

基于上述策略，研究团队系统比较了多种中性掺杂原子（C、Si、Ge、Sn、Ti、Ce）对HfO₂介电性能的影响。结果表明，Ce原子凭借其最大的原子半径（2.7 Å）、最重的原子质量（140.12）和最小的电负性（1.13），成为最优掺杂候选。计算预测，Hf₀.₅Ce₀.₅O₂的四方相介电常数（κₓₓ = 96.77）比纯T相HfO₂提升19.10%，并能将T相的稳定温度降至室温附近，已有部分实验报道了类似的介电常数提升趋势。相比之下，传统研究较多的锆（Zr）掺杂，由于其与Hf相似的电负性及较轻的原子质量，在稳定T相和提升介电常数方面效果有限。

该工作不仅从微观层面阐明了氧化铪基氧化物高介电常数的物理起源，还为铪基氧化物的介电性能优化提出了一套系统的掺杂设计准则，为开发新型高性能介电材料提供了理论依据与实验方向。Ce掺杂策略的提出，有望推动氧化铪基高介电材料在下一代微纳电子器件、高密度存储及5G通信等领域的实际应用。

来源：研精究微