《自然·電子學(xué)》近期發(fā)表的一項研究展示了機器學(xué)習(xí)（ML）在設(shè)計溫度穩(wěn)定型高介電常數(shù)氧化物中的應(yīng)用。研究團隊通過該方法優(yōu)化鎢青銅陶瓷的化學(xué)共取代工藝，成功制備出一種兼具高介電常數(shù)（185）、低損耗角正切（0.0005）及優(yōu)異熱穩(wěn)定性的新型介質(zhì)材料。該材料的電容溫度系數(shù)（TCκ）為-22 ppm K?1，有效緩解了微型化電子元件設(shè)計中性能相互制約的難題，適用于射頻模塊、集成電路及通信系統(tǒng)。

傳統(tǒng)鐵電陶瓷雖具有高介電常數(shù)但損耗較大，而線性介質(zhì)如二氧化硅雖穩(wěn)定性好卻介電常數(shù)偏低。為此，研究人員構(gòu)建了分層機器學(xué)習(xí)工作流，整合了包含250個樣本的介電性能數(shù)據(jù)集與162個樣本的溫度系數(shù)數(shù)據(jù)集。經(jīng)數(shù)據(jù)清洗與相關(guān)性分析后，模型篩選出6項關(guān)鍵全局特征進行訓(xùn)練。隨機森林回歸算法預(yù)測室溫介電常數(shù)的決定系數(shù)（R2）超過0.80，支持向量回歸（SVR）預(yù)測溫度系數(shù)的R2超過0.65?；谶@些模型對13.2萬余條虛擬材料庫的篩選，鎢青銅氧化物因其靈活的晶體結(jié)構(gòu)被鎖定為目標(biāo)體系。結(jié)合密度泛函理論（DFT）計算，研究進一步揭示了介電性能與晶格中四元環(huán)位點原子質(zhì)量、電負(fù)性，以及金屬氧八面體鍵強與共價性之間的關(guān)聯(lián)。

在實驗驗證階段，團隊采用固相反應(yīng)法合成了Ba?Nd?.??Ti??O??（BNT）及其鉍（Bi）、鍺（Ge）共取代衍生物。粉末在乙醇中濕磨20小時后，于800至1000 °C煅燒，加入粘結(jié)劑壓片并在1100至1400 °C燒結(jié)1.5至6小時。鉍取代A″位以增強離子極化率，使介電常數(shù)在50 mol%取代水平時升至約205，但導(dǎo)致溫度系數(shù)惡化至約-140 ppm K?1；隨后引入鍺取代鈦位，形成更強的Ge-O鍵，抑制局部原子位移，顯著改善熱穩(wěn)定性。Zui終組分Ba?(Nd?.?Bi?.?)?.??(Ti?.??Ge?.??)??O??（BNBGT）實現(xiàn)了各項指標(biāo)的平衡。

研究團隊利用卷對卷流延成型技術(shù)制備了厚度約20 μm的陶瓷生帶，經(jīng)溫等靜壓層壓并沉積鈦鎢、鎳及金電極層，加工成單層片式電容器原型。1 pF規(guī)格的原型器件尺寸僅為0.35×0.35×0.20 mm3，體積較研究中對比的村田（Murata）CLB095C1R0K1000TC1商用型號縮小約85%?？煽啃詼y試顯示，該電容器在-55至150 °C間經(jīng)歷1000次熱沖擊后，初始電容保持率超過99.8%；在1000 V電壓與150 °C環(huán)境下加速老化100小時，電容變化不超過0.1%，電阻率下降不超過15%，且未發(fā)生器件失效。

該研究將機器學(xué)習(xí)材料發(fā)現(xiàn)與原子尺度表征相結(jié)合，為開發(fā)高性能微型電容器提供了新路徑。公開的介質(zhì)數(shù)據(jù)庫與分層機器學(xué)習(xí)流程可進一步用于篩選其他功能氧化物，相關(guān)平行實驗也驗證了更廣泛的共摻雜策略的可行性。

資料來源：AZoM；原文發(fā)布日期：2026-10-12。本文為資料編譯。