近期，固體所物質計算科學研究室楊勇研究員在五氧化二鉭晶格結構研究方面取得重要進展，相關結果發(fā)表在Physical Review Materials (Phys. Rev. Materials, 2, 034602 (2018))上。

　　五氧化二鉭 (Ta₂O₅) 是一種用途廣泛的寬帶隙半導體材料。由于具有很高的介電常數(shù)，它是替代二氧化硅 (SiO₂) 作為新一代電子器件的氧化物絕緣層的備選材料之一。它具有很高的光折射率，因此作為涂層材料被應用在常見的光學器件 (如相機鏡頭) 以及一些超高精度的測量儀器上，例如著名的激光干涉引力波天文臺 (LIGO)。在LIGO的兩個互相垂直的激光干涉長臂之中，反射鏡面的材料主要是由相互疊加的SiO₂和Ta₂O₅薄膜層構成。此外，Ta₂O₅還可以作為抗腐蝕的保護膜，以及電催化和光催化材料。

　　半個多世紀前，人們在實驗上已經發(fā)現(xiàn)，在大約1320°C的時候，Ta₂O₅會發(fā)生結構相變，從低溫相 (L-Ta₂O₅) 轉化為高溫相 (H-Ta₂O₅)。從那以后，盡管有大量的研究工作投入到Ta₂O₅的低溫相和高溫相的研究之中，其晶格結構仍然存在著爭議和不確定性。由于高品質的Ta₂O₅單晶材料生長的困難，由X射線衍射 (XRD) 提供的原子尺度的結構信息非常有限。事實上，人們發(fā)現(xiàn)，實驗上獲得的Ta₂O₅的晶格結構非常依賴于生長環(huán)境 (溫度、壓力等) 以及合成方法。以低溫相為例，人們已經發(fā)現(xiàn)/報道了一系列Ta₂O₅的晶體相和結構模型: 如L_SR, L_GMR, β_AL, β_R, λ, δ, B, Z，等等。先前的第一性原理計算表明，這些已知的結構相當中，B-Ta₂O₅在能量上最穩(wěn)定，λ次之，第三穩(wěn)定是L_SR相。

　　盡管已經有如此之多的研究工作， Ta₂O₅的基態(tài)晶格結構依然沒有定論，眾說紛紜，莫衷一是。在高壓下合成的B-Ta₂O₅，是此前報道的最穩(wěn)定晶體相。有沒有可能存在新的基態(tài)結構相？最近，固體所楊勇研究員和日本東北大學Kawazoe教授合作，對這一問題作了肯定的回答。基于第一性原理計算結合結構搜索的進化算法 (evolutionary algorithm)，楊勇研究員和Kawazoe教授在理論上預測了Ta₂O₅的一種新的低溫相 (命名為γ-Ta₂O₅)。計算表明，這種單胞為三斜晶系的低溫相比已報道的任何一種結構相都要穩(wěn)定。在外加壓力之下，這種新的結構相可以發(fā)生結構相變，向亞穩(wěn)態(tài)的B-Ta₂O₅以及λ-Ta₂O₅轉變。另外，這種新的低溫相在局域原子結構、聲子譜等方面特征和先前實驗報道的結構有諸多相似之處。主要的不同點在于晶格的長程序。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，先前在大量的XRD實驗中觀察到的、在~ 3.8 ?附近的超強衍射峰，實際上對應于Ta-Ta徑向分布函數(shù)的第二半徑。

　　論文在線發(fā)表于美國物理學會的材料類期刊Physical Review Materials。論文的兩位審稿人對這一工作給予了積極評價。第一位審稿人認為“這是一篇有趣的論文，嘗試解決一個引人關注的材料中有趣的結構問題”，“研究結果是有趣的，預測了一種比已知所有晶體相都穩(wěn)定的新奇結構相，這必將推動實驗上的研究”；第二位審稿人評論說“這篇論文報道了對Ta₂O₅新的基態(tài)結構的理論預測。這一發(fā)現(xiàn)顯然是有趣的，倘若能得到實驗的進一步證實”。

　　這項工作得到了國家自然科學基金的資助。

　　論文鏈接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevMaterials.2.034602

　　圖1. (a)-(e) Ta₂O₅的幾個典型的已知結構相；(f) 理論預測的γ相

圖2. B, λ, γ-Ta₂O₅的能量-體積函數(shù)關系圖以及結構相變示意 (虛線)