ИИ помог подобрать керамику для конденсаторов с ε ≈ 185 и ТКЕ в пределах ±30 ppm/°C

Работу группы Университета Цинхуа и соавторов из Китая, Австралии и Италии опубликовал Nature Electronics 6 октября 2026 года

Исследователи из Университета Цинхуа (Tsinghua University) с помощью машинного обучения подобрали керамику для конденсаторов с диэлектрической проницаемостью около 185, тангенсом угла потерь не выше 0,0005 и температурным коэффициентом ёмкости (ТКЕ) в пределах ±30 ppm/°C. Чип-конденсатор на 1 пФ из неё на 85% меньше серийного аналога по объёму.

Что сделали

Высокая проницаемость, малые потери и почти нулевой ТКЕ обычно мешают друг другу, поэтому состав искали в два уровня (иерархический отбор). Сначала модели, обученные на данных из литературы и баз о 250 материалах для ε и 162 для ТКЕ, просеяли виртуальную библиотеку из 132 651 структуры. Высокую ε при ТКЕ около нуля обещали соединения со структурой вольфрамовой бронзы. Базой взяли Ba₄Nd_9,33Ti₁₈O₅₄: ε около 85, ТКЕ около −70 ppm/°C.

Затем по локальным признакам выяснили, что ε сильнее всего зависит от массы и электроотрицательности катиона в позиции A″, а ТКЕ — от прочности и ковалентности связи металл–кислород в кислородных октаэдрах. Висмут вместо половины неодима поднял ε до 205, но ТКЕ ушёл до −140 ppm/°C. У добавок на место титана ТКЕ менялся от −118 ppm/°C с гафнием до −2 ppm/°C с германием. В составе с висмутом при 1% германия ТКЕ составил −22 ppm/°C, при 10% — уже +138 ppm/°C. Итоговый состав — Ba₄(Nd_0,5Bi_0,5)_9,33(Ti_0,99Ge_0,01)₁₈O₅₄.

Что получилось

Механизм изучили электронной микроскопией с нагревом образца (in situ) и расчётами по теории функционала плотности (DFT). При нагреве до 500 °C среднее смещение катионов A из центра выросло с 7,09 до 8,75 пм, примерно на 23%, хотя тепловое расширение дало бы около 0,07 пм. Прочные ковалентные связи Ge–O удерживают полярные смещения при расширении решётки, и обычное падение проницаемости при нагреве компенсируется.

Из керамики сделали прототипы однослойных чип-конденсаторов (single-layer chip capacitor) от 1 пФ размером 0,35 × 0,35 × 0,20 мм до 35 пФ размером 3,0 × 3,0 × 0,4 мм. У чипа на 35 пФ ёмкость оставалась стабильной от 10² до 10⁷ Гц. Серийный Murata CLB095C1R0K1000TC1 на 1 пФ имеет размер 0,90 × 0,90 × 0,20 мм, прототип меньше его по объёму примерно на 85%. В сравнительной таблице статьи — серийные диэлектрики четырёх изготовителей:

Контекст

Ёмкость входит в резонансную частоту контура f₀ = 1/(2π√(LC)), поэтому в фильтрах, генераторах и согласующих цепях ВЧ-трактов её температурный уход сдвигает настройку. Там ставят конденсаторы класса I с ТКЕ в пределах ±30 ppm/°C: обозначение C0G, в отечественной классификации — группа МП0. Уменьшать такие компоненты авторы предлагают для радиочастотных модулей, интегральных схем и СВЧ-связи.

Проблема в том, что термостабильные диэлектрики слабо поляризуются: у диоксида кремния ТКЕ около 20 ppm/°C, но ε около 4. Материалы с высокой ε нестабильны: у титаната бария ε выше 3000 и ТКЕ порядка 10⁴ ppm/°C, у диоксида титана ε около 105 при ТКЕ около −879 ppm/°C.

Источники

1. Qi J., Chen Y., Qin J., Wei B., Pan H., Hu T., Fu Z., Wu Y., Lv R., Zhang F., Zhang Y., Xu W., Zeng J., He S., Zhu Z., Su H., Yang Z., Fu Z., Liu Z., Nan C.-W., Zhang S., Lin Y.-H. Temperature-stable high-κ oxides for miniaturized capacitors // Nature Electronics. 2026. Поступила 4 февраля 2026 года, принята 7 сентября 2026 года, опубликована 6 октября 2026 года. Лицензия CC BY-NC-ND 4.0. https://doi.org/10.1038/s41928-026-01721-1