近期，中国科学院合肥物质院固体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。相关成果分别发表在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。有关Ta₂O₅结构和物性的研究已有逾半个世纪的历史。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L_SR, L_GMR, β_AL, β_R, 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。

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，并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、L_SR、β_R、β_AL、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支持。

论文链接

论文链接

论文链接

论文链接

图1. 十个Ta₂O₅晶相结构示意图，其中γ、γ₁和Y相为团队预测的结构

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