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據(jù)悉近期，固體所物質(zhì)計(jì)算科學(xué)研究室楊勇研究員在五氧化二鉭晶格結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Physical Review Materials (Phys. Rev. Materials, 2, 034602 (2018))上。
圖1. (a)-(e) Ta2O5的幾個(gè)典型的已知結(jié)構(gòu)相；(f) 理論預(yù)測的γ相
五氧化二鉭 (Ta2O5) 是一種用途廣泛的寬帶隙半導(dǎo)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(yīng)用在常見的光學(xué)器件 (如相機(jī)鏡頭) 以及一些超高精度的測量儀器上，例如的激光干涉引力波天文臺 (LIGO)。在LIGO的兩個(gè)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(gòu)成。此外，Ta2O5還可以作為抗腐蝕的保護(hù)膜，以及電催化和光催化材料。
半個(gè)多世紀(jì)前，人們在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在大約1320°C的時(shí)候，Ta2O5會發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，從低溫相 (L-Ta2O5) 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)仍然存在著爭議和不確定性。由于高品質(zhì)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(jié)構(gòu)信息非常有限。事實(shí)上，人們發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)上獲得的Ta2O5的晶格結(jié)構(gòu)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(jīng)發(fā)現(xiàn)/報(bào)道了一系列Ta2O5的晶體相和結(jié)構(gòu)模型: 如LSR, LGMR, βAL, βR, λ, δ, B, Z，等等。先前的*性原理計(jì)算表明，這些已知的結(jié)構(gòu)相當(dāng)中，B-Ta2O5在能量上zui穩(wěn)定，λ次之，第三穩(wěn)定是LSR相。
盡管已經(jīng)有如此之多的研究工作，Ta2O5的基態(tài)晶格結(jié)構(gòu)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(bào)道的zui穩(wěn)定晶體相。有沒有可能存在新的基態(tài)結(jié)構(gòu)相？zui近，固體所楊勇研究員和日本東北大學(xué)Kawazoe教授合作，對這一問題作了肯定的回答。基于*性原理計(jì)算結(jié)合結(jié)構(gòu)搜索的進(jìn)化算法 (evolutionary algorithm)，楊勇研究員和Kawazoe教授在理論上預(yù)測了Ta2O5的一種新的低溫相 (命名為γ-Ta2O5)。計(jì)算表明，這種單胞為三斜晶系的低溫相比已報(bào)道的任何一種結(jié)構(gòu)相都要穩(wěn)定。在外加壓力之下，這種新的結(jié)構(gòu)相可以發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，向亞穩(wěn)態(tài)的B-Ta2O5以及λ-Ta2O5轉(zhuǎn)變。另外，這種新的低溫相在局域原子結(jié)構(gòu)、聲子譜等方面特征和先前實(shí)驗(yàn)報(bào)道的結(jié)構(gòu)有諸多相似之處。主要的不同點(diǎn)在于晶格的長程序。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，先前在大量的XRD實(shí)驗(yàn)中觀察到的、在~ 3.8 Å附近的*衍射峰，實(shí)際上對應(yīng)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(xué)會的材料類期刊Physical Review Materials。這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助。
圖2. B, λ, γ-Ta2O5的能量-體積函數(shù)關(guān)系圖以及結(jié)構(gòu)相變示意 (虛線)
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