近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所物質計算科學研究室研究員楊勇在五氧化二鉭晶格結構研究方面取得新進展，相關結果發表在 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，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現，在大約1320°C的時候，Ta2O5 會發生結構相變，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，人們發現，實驗上獲得的 Ta2O5 的晶格結構非常依賴于生長環境(溫度、壓力等) 以及合成方法。以低溫相為例，人們已經發現/報道了一系列 Ta2O5 的晶體相和結構模型: 如 LSR, LGMR, βAL, βR, λ, δ, B, Z 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 在能量上最穩定，λ 次之，第三穩定是 LSR 相。
盡管已經有如此之多的研究工作，Ta2O5 的基態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，是此前報道的最穩定晶體相。有沒有可能存在新的基態結構相？最近，楊勇和日本東北大學教授 Kawazoe 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)，楊勇和 Kawazoe 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定。在外加壓力之下，這種新的結構相可以發生結構相變，向亞穩態的 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。進一步的分析發現，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 徑向分布函數的第二半徑。
這項工作得到了國家自然科學基金的資助。
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-體積函數關系圖以及結構相變示意 (虛線)