近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理所能源材料与器件制造研究部杨勇研究员团队在五氧化二钽(Ta2O5)的晶格结构、温度-压力相图及核量子效应研究方面取得系列新进展。相关研究论文分别以Rapid Communication (编辑推荐热点文章)和Article的形式发表在Chinese Physics B和Physical Review B上。
五氧化二钽(Ta2O5)是一种应用广泛的宽带隙过渡金属氧化物半导体。因其优异的介电性能、高折射率以及良好的化学稳定性，在微电子技术和能源转化电极材料、抗腐蚀保护膜、精密光学器件及生物医学等领域具有引人瞩目的应用潜力。
迄今为止，有关Ta2O5结构和物性的研究已超过半个世纪。然而，由于高品质单晶材料生长困难，基于X射线衍射获得的原子结构信息非常有限；实验制备的Ta2O5的晶格结构高度依赖于生长环境(温度、压力等)以及合成方法。以低温相为例，已报道的晶体相和结构模型包括LSR, LGMR, βAL, βR, λ, δ, B, Z等。尽管对其多晶型结构已有大量研究， Ta2O5的基态晶格结构依然没有定论。多数研究集中在常压或特定温度条件，完整的温度–压力相图尚未建立，给定温度压力条件下各相的相对稳定性及相互转化仍有待系统深入研究。
近年来，固体所杨勇研究员团队围绕Ta2O5的结构和相图开展了系统深入的研究，取得了一系列新进展。基于第一性原理计算与结构搜索算法，团队在理论上预测了Ta2O5的两个常压低温相——γ-Ta2O5 [三斜晶系, 原胞包含两个化学单元：Z=2]和γ1-Ta2O5 [三斜晶系, Z=1]，以及一个新的高压相——Y-Ta2O5 [正交晶系, Z=4]。计算结果表明，γ和γ1这两种低温相的稳定性位在所有已知常压结构中居前两位 [Phys. Rev. Materials 2, 034602 (2018); Comput. Mater. Sci. 230, 112482 (2023)]。当外压在大约62 GPa及以上时，单斜相B-Ta2O5发生结构相变，转变为正交相Y-Ta2O5 [Chin. Phys. B 34, 116104 (2025)]。基于第一性原理计算和热力学分析，团队评估了对一系列低压相(γ、γ1、λ、LSR、βR、βAL、δ)以及高压相(B、Z、Y)在宽广的温度与压力区间内的稳定性，构建了温度-压力相图，明确了不同晶相的稳定区间及相稳定顺序 [Phys. Rev. B 114, 014103 (2026)]。
进一步的计算和分析表明，核量子效应(nuclear quantum effects)对各相的稳定性具有显著影响，可以改变自由能，并影响相图以及各相的稳定性排序。在外压为约2 GPa时，γ-Ta2O5与B-Ta2O5之间可能存在重入型的相变(reentrant phase transition)，这反映出Ta2O5相行为的复杂性。此外，研究还发现存在一个特征温度T0。在该温度下，零点振动和热激发声子对自由能的贡献相当，其数值约为德拜温度的1/3 [Phys. Rev. B 114, 014103 (2026)]。
上述研究得到国家自然科学基金的资助。
相关论文链接:
https://doi.org/10.1103/t42v-kttt
https://doi.org/10.1088/1674-1056/ae0925
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2023.112482
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevMaterials.2.034602
图1. 十个Ta2O5晶相结构示意图，其中γ、γ1和Y相为固体所团队预测的结构。
图2. B, γ-Ta2O5在外压P = 0 ~ 2 GPa的相图及重入型相变示意图：包含(a)和不包含(b)核量子效应的P-T相图；两相的熵(c)和自由能差值(d)随温度的变化曲线。
