NpjComput.Mater.：基元分解：面向複雜體系的介電性質預測

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鎢青銅體系因其獨特的物理和化學特性，在微波介質材料領域佔據著舉足輕重的地位。這類材料以其高介電常數而聞名，對於微波通訊、雷達系統以及現代電子裝置中的許多關鍵應用至關重要。它們是一類結構複雜的材料，其複雜性主要體現在它們通常包含著由數百至數千個原子構成的大型超結構。

這些超結構不僅在尺寸上龐大，而且在原子排列和化學鍵合上呈現出高度的複雜性，這直接影響了材料的介電效能。從第一性原理出發，即基於量子力學的原理來預測這些材料的介電性質，需要對電子和聲子性質進行精確的計算，這是非常具有挑戰性的。因為這些大型超結構涉及到的電子數量龐大，使得計算過程變得極其複雜和耗時。因此，對這類體系的介電性質進行準確預測，成為了材料科學研究中的一個難題。

來自南方科技大學材料科學與工程系的張文清教授團隊和美國紐約州立大學布法羅分校的張培鴻教授提出的新穎基元分解方法，不僅在理論上具有創新性，而且在實際應用中展現出了巨大的潛力。這種方法透過將複雜介質材料的超結構分解為較小的基元，有效地降低了計算每個基元所需的計算資源，與直接計算整個超結構相比，計算成本大幅減少了幾個數量級。這種分解策略使得對複雜微波介質材料的介電性質進行從頭算設計和最佳化成為現實。此外，這項研究的成果還揭示了材料各向異性的介電常數的定量資訊，這對於理解和調控材料效能中的織構化效應至關重要。織構化調控是指透過控制材料的微觀結構來最佳化其宏觀效能，這在金屬材料中尤為常見，其中晶粒取向的分佈（即織構）可以顯著影響材料的力學和物理效能。張文清教授團隊和張培鴻教授的研究成果為複雜材料介電性質的織構化調控提供了重要的理論依據，這可能對材料的工業應用產生深遠影響。這種方法的應用，使得研究人員能夠預測複雜材料的介電性質，為材料設計提供了新的工具。

Fig. 1. The schematic figure of the decomposition of the large
crystal structure into small elemental units.

Fig. 2. Dielectric constant ellipsoids for two
complex systems of Ba₂₄Nd₅₆Ti₁₀₈O₃₂₄ (a) and Ba₂₄Sm₅₆Ti₁₀₈O₃₂₄(b).

透過這種方法，研究人員能夠識別和最佳化具有特定功能的基元，從而設計出效能更優的新材料，這在材料基因組工程中是一個重要的進步。該文近期發表於npj Computational Materials10: 170 (2024)，英文標題與摘要如下，點選左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。

Advancing first-principles dielectric property prediction of complex microwave materials: an elemental-unit decomposition approach

Yabei Wu, Peihong Zhang & Wenqing Zhang

Tungsten-bronze-type material Ba6-3xRE8+2xTi18O54, (RE = rare earth elements) is an important microwave dielectric that has shown great promises for future miniaturization of microwave devices because of its high dielectric constant, low loss, and tunabilities, and there is still much room for improvement. With their proven predictive power, first-principles calculations may greatly help accelerate materials optimization by reducing or eliminating the expensive and time-consuming experimental trial-and-error process. However, microwave dielectrics such as the tungsten-bronze-type materials are rather complex systems with unit cells containing hundreds or thousands of atoms, making ab initio calculations prohibitively expensive. In this work, we propose an elemental-unit decomposition (EUD) technique that can drastically reduce the computational effort of predicting the properties of complex microwave dielectrics and demonstrate its accuracy and efficiency. Our approach facilitates first-principles prediction and design of complex microwave dielectric materials that would otherwise be extremely difficult.