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五氧化二钽的基态结构及相图的理论研究

批准号:
12074382
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
杨勇
学科分类:
凝聚态物质力热光电性质
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨勇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
作为宽带隙半导体材料,五氧化二钽(Ta2O5)在多方面有重要的潜在应用。例如光学器件、新一代电子器件、能源及催化材料、超高精度测量仪器、抗腐蚀保护膜。尽管已有众多的研究,Ta2O5的基态结构尚无定论。在常压下,报道的Ta2O5结构相至少有10种,而关于各相之间的转变条件知之甚少。另一方面,Ta2O5晶体相的合成与生长非常依赖于实验条件。在本项目中,我们将采用第一性原理计算并结合当前先进的结构搜索算法,对Ta2O5的基态晶体结构以及压力-温度相图 (P-T相图) 作系统的研究。我们将主要关注在常压和高压条件下,Ta2O5的基态结构的共有特征;研究压力和温度诱导的结构相变,以及高压对Ta2O5电子结构的调控。基于理论计算的结果,建立起Ta2O5的P-T相图。我们的工作将揭示Ta2O5非富多彩的结构相之间的内在联系,为将来实验合成和进一步研究其物理和化学性质提供指引。
英文摘要
As a wide-gap semiconducting material, tantalum pentoxide (Ta2O5) has many important potential applications, including optical devices, the new-generation electronic devices, the materials for energy and catalysis, the instruments for ultraprecise measurement, and the corrosion resistant coatings. Despite the numerous research works, little consensus has been reached on the ground-state crystal structure of the low-temperature phase of Ta2O5. At ambient pressure, at least 10 different Ta2O5 phases are reported, while little is known about the structural transition among the phases. On the other hand, it is found that the obtained crystal structures of Ta2O5 depend critically on the experimental conditions (e.g., temperatures, pressures). In this project, we will carry out systematic and in-depth studies on the ground-state crystal structures and the pressure-temperature (P-T) phase diagram of Ta2O5, by using first-principles calculations in combination with state-of- the-art algorithms for structure search. Our research will be focused on the common features of the ground-state crystal structures at ambient and high-pressure conditions, and study the structural phase transitions induced by pressures and temperatures, as well as the pressure-dependence of the electronic structures of Ta2O5. Based on the theoretical results, the P-T phase diagram of Ta2O5 will be established. Our work will reveal the intrinsic connections among the rich phases of Ta2O5, and provide a guide map for future experimental synthesis and further studies on their physical and chemical properties.
基于第一性原理计算结合结构搜索算法,我们对常压和高压下五氧化二钽(Ta2O5)的结构和物性作了系统的研究。在理论上预测了晶胞只包含一个化学单元(Z=1)的Ta2O5新的常压结构(Gamma1-Ta2O5)。该结构属于三斜晶系,稳定性在所有已知相中位列第二,为间接带隙半导体。我们研究了Ta2O5一系列常压相的电子结构。对无氧空位的Ta2O5的不同晶相,带隙和宏观的凝聚能以及微观的轨道杂化强度呈现正相关。氧空位的存在会显著改变费米能级附近的电子结构,引起带隙的变化并可能诱导绝缘体-金属转变。带隙变化的幅度和氧空位的位置密切相关。我们在宽广的压力和温度范围内研究了Ta2O5各相的热力学稳定性,建立了各相稳定性次序图,预测了新的正交高压相(Y-Ta2O5)并建立了压力-温度相图,研究了固相转变的动力学过程。我们的研究揭示了Ta2O5丰富多彩的晶相之间的内在联系,为调控其结构和物性提供了理论支撑和指南图。此外,我们还对其他相关体系作了研究。
水在beta-PtO2表面的吸附结构及其对氧还原反应的影响
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