微波介質(zhì)陶瓷作為微波集成電路基板、介質(zhì)諧振器、介質(zhì)天線等通信電子元器件的關(guān)鍵材料，近年來(lái)隨著5G/6G技術(shù)的蓬勃發(fā)展，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。材料信息學(xué)借助機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，挖掘物理量之間的隱含關(guān)聯(lián)，構(gòu)建定量“構(gòu)效關(guān)系”，從而加速新材料研發(fā)，目前已在一些材料研究領(lǐng)域得到運(yùn)用并證實(shí)了其可靠性。然而，學(xué)界針對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料的性能預(yù)測(cè)與理性設(shè)計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型研究的報(bào)道較少。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所無(wú)源集成器件與材料研究團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，研究微波介質(zhì)陶瓷的材料特征與介電性能之間的關(guān)系，提出了一種普適性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的介電常數(shù)預(yù)測(cè)模型，并以此為依據(jù)預(yù)測(cè)了新的低介電常數(shù)微波介質(zhì)材料。最優(yōu)預(yù)測(cè)模型經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗、兩步降維、模型超參數(shù)優(yōu)化、特征量組合尋優(yōu)和多算法對(duì)比等步驟獲得。

研究表明，除了降低單位體積離子極化率（ppv）之外，降低平均鍵長(zhǎng)（blm）和提高每個(gè)原子所占的晶胞體積（va）都可有效降低材料介電常數(shù)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從3，300余種未報(bào)道介電常數(shù)的無(wú)機(jī)材料中篩選出潛在的低介電常數(shù)材料，并從中選取了若干種進(jìn)行制備和測(cè)試，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。相關(guān)相關(guān)成果以Machine learning approaches for permittivity prediction and rational design of microwave dielectric ceramics為題，發(fā)表在Journal of Materiomics上。

此外，研究人員還通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)了材料局域結(jié)構(gòu)與品質(zhì)因數(shù)（Q×f）之間的定量關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅鐵鋇礦型系列低介陶瓷ACuSi4O10（A = Ca， Sr， Ba）中A位取代會(huì)引起［AO8］十二面體單元發(fā)生顯著的收縮和畸變，且伴隨Q×f值單調(diào)下降。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用鍵長(zhǎng)、鍵價(jià)和等多個(gè)基本屬性描述［AO8］局域結(jié)構(gòu)的變化，通過(guò)支持向量機(jī)方法構(gòu)建Q×f值定量預(yù)測(cè)模型。模型發(fā)現(xiàn)，A-O2鍵長(zhǎng)與A-O鍵長(zhǎng)方差是Q×f值預(yù)測(cè)的決定性特征量。研究人員利用該定量構(gòu)效關(guān)系對(duì)相同結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行Q×f值預(yù)測(cè)，并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

采用準(zhǔn)光腔法，測(cè)試了材料在20 GHz-110 GHz毫米波頻段下的介電常數(shù)和介電損耗。相關(guān)研究成果以Structure and microwave dielectric properties of gillespite-type ACuSi4O10（A = Ca， Sr， Ba） ceramics and quantitative prediction of Q×f value via machine learning為題，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和上海市青年科技啟明星計(jì)劃等的資助。

（a）介電常數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型的表現(xiàn)，（b）預(yù)測(cè)介電常數(shù)在特征量空間中的分布

原文標(biāo)題：上海硅酸鹽所在機(jī)器學(xué)習(xí)輔助微波介質(zhì)陶瓷研究中取得進(jìn)展

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