JP2021028732A - Detection method, detection device, and detection program for dielectric material, and dielectric composition - Google Patents

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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics

Abstract

To provide a detection method, a detection device, and a detection program for a dielectric material that are useful in developing, for example, a novel dielectric material.SOLUTION: Firstly, a database in which information on a crystal structure is stored is used and based upon a selected element, first candidate data for an oxide crystal structure is acquired from the database. Secondly, second candidate data is acquired from the first candidate data based upon a first screening condition, and a crystal structure of each oxide corresponding to the second candidate data is used for first principle calculation processing to find a specific dielectric constant. The first screening condition is to extract data on a crystal structure such that an energy band gap is 0.5 eV or larger, and an increment in formation energy from the most stable structure of an object composition is 0.05 eV or less per atom.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、たとえば特定用途に有用な誘電体材料を見出すための誘電体材料の検出方法、検出装置、検出プログラム、およびそれら方法によって得られた誘電体組成物を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for detecting a dielectric material, a detection device, a detection program, and a dielectric composition obtained by the method, for example, for finding a dielectric material useful for a specific application.

古来より、新規な誘電体材料は、熟練者による経験や鋭い感性に基づいた数多くの実験により見出されてきた。しかしながら、新規材料を見出すためには、通常は長い時間を要し、特に近年は急速な科学技術の進歩もあり、より短時間で効率的に新規材料を開発することが求められている。 Since ancient times, new dielectric materials have been found through numerous experiments based on expert experience and keen sensitivity. However, it usually takes a long time to find a new material, and especially in recent years, due to rapid progress in science and technology, it is required to develop a new material efficiently in a shorter time.

比較的短時間、かつ効率的に材料開発を行う方法は数多く報告されている。たとえば非特許文献１に記載されるようなコンビナトリアルケミストリー法は広く活用されている。コンビナトリアルケミストリー法は、一度に数多くの試料を実験することができるため、従来よりも効率的に新規材料の開発を行うことができる。しかし、通常では、一度に実験できる元素の種類は限られており、無機材料開発のように多くの元素種を検討する場合には必ずしも効率的ではない。 Many methods have been reported for efficient material development in a relatively short time. For example, the combinatorial chemistry method described in Non-Patent Document 1 is widely used. Since the combinatorial chemistry method can experiment with a large number of samples at one time, it is possible to develop new materials more efficiently than before. However, usually, the types of elements that can be tested at one time are limited, and it is not always efficient when considering many element types such as the development of inorganic materials.

また、特許文献１では既存のデータベースを活用し、さらにそのデータを用いてシミュレーション計算することで新規材料を評価している。しかしながら、かかる方法は、特定の結晶構造、特定の元素種を持つデータのみを活用しており、新規材料探索のために膨大なデータを活用しているとは言い難い。 Further, in Patent Document 1, a new material is evaluated by utilizing an existing database and performing simulation calculation using the data. However, such a method utilizes only data having a specific crystal structure and a specific element species, and it cannot be said that a huge amount of data is utilized for searching for new materials.

コンビナトリアルテクノロジー 鯉沼 秀臣、川崎 雅司 監修 （丸善出版）Combinatorial Technology Hideomi Koinuma, Supervised by Masashi Kawasaki (Maruzen Publishing) 特開２０１１−０５４５６２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-054562

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、たとえば新規誘電体材料の開発に役立つ誘電体材料の検出方法、検出装置、検出プログラム、および検出方法により得られた誘電体組成物を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is, for example, a method for detecting a dielectric material, a detection device, a detection program, and a dielectric composition obtained by the detection method, which are useful for developing a new dielectric material. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、本発明に係る誘電体材料の検出方法は、
結晶構造の情報が格納されているデータベースを用い、選択された元素に基づき前記データベースから酸化物結晶構造の第１候補データを取得する工程と、
前記第１候補データから、第１スクリーニング条件に基づき、前記第１スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第２候補データを取得する工程と、
前記第２候補データに対応する各酸化物の結晶構造を用いて第一原理計算処理を行い比誘電率を求める工程と、を有する誘電体材料の検出方法であって、
前記第１スクリーニング条件が、エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶ以上で、対象となる組成物の最安定構造からの形成エネルギーの上昇分が１原子あたり０．０５ｅＶ以下である結晶構造のデータを抽出することである。 In order to achieve the above object, the method for detecting a dielectric material according to the present invention is
Using a database that stores crystal structure information, the process of acquiring the first candidate data of the oxide crystal structure from the database based on the selected element, and
From the first candidate data, a step of acquiring second candidate data regarding an oxide that matches the first screening condition based on the first screening condition, and
A method for detecting a dielectric material, which comprises a step of performing a first-principles calculation process using the crystal structure of each oxide corresponding to the second candidate data to obtain a relative permittivity.
The first screening condition is to extract crystal structure data in which the energy bandgap is 0.5 eV or more and the increase in formation energy from the most stable structure of the target composition is 0.05 eV or less per atom. That is.

また、本発明に係る誘電体材料の検出装置は、
結晶構造の情報が格納されているデータベースを用い、選択された元素に基づき前記データベースから酸化物結晶構造の第１候補データを取得する第１候補データ取得手段と、
前記第１候補データから、第１スクリーニング条件に基づき、前記第１スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第２候補データを取得する第２候補データ取得手段と、
前記第２候補データに対応する各酸化物の結晶構造を用いて第一原理計算処理を行い比誘電率を求める第一原理計算手段と、を有する誘電体材料の検出装置であって、
前記第１スクリーニング条件が、エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶ以上で、対象となる組成物の最安定構造からの形成エネルギーの上昇分が１原子あたり０．０５ｅＶ以下である結晶構造のデータを抽出することものである。 Further, the dielectric material detection device according to the present invention is
A first candidate data acquisition means for acquiring the first candidate data of the oxide crystal structure from the database based on the selected element using a database in which the crystal structure information is stored, and
A second candidate data acquisition means for acquiring a second candidate data regarding an oxide that matches the first screening condition from the first candidate data based on the first screening condition.
A dielectric material detection device having a first-principles calculation means for obtaining a relative permittivity by performing a first-principles calculation process using the crystal structure of each oxide corresponding to the second candidate data.
The first screening condition is to extract crystal structure data in which the energy band gap is 0.5 eV or more and the increase in formation energy from the most stable structure of the target composition is 0.05 eV or less per atom. It is a thing.

Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄａｔａｂａｓｅ（ＩＣＳＤ）やＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｊｅｃｔなどの公開データベースには、既知の化合物についての結晶構造がデータとして収録されている。これらの化合物は既知ではあるが、必ずしも材料開発における所望の特性が報告されているわけではない。 Public databases such as the Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) and Materials Project contain crystal structures of known compounds as data. Although these compounds are known, the desired properties in material development have not always been reported.

一方、近年の急激なコンピュータの高速化により、より短時間で、より多くの化合物に対する第一原理計算を行えるようになっている。これらを踏まえ、公開データベースに収録されている化合物に対し、第一原理計算を用いて材料開発における所望の特性を計算することにより、効率的に所望の特性が見込まれる化合物を見つけることができる。その際には、数多くの候補となる化合物からスクリーニングするため、多くの化合物に対して第一原理計算を行う。しかし、膨大なデータ数になるので、本発明の方法または装置で、データをスクリーニングすることにより、産業に利用しうるような現実に即した材料を効率的に見つけることができる。 On the other hand, due to the rapid increase in computer speed in recent years, it has become possible to perform first-principles calculations for more compounds in a shorter time. Based on these, by calculating the desired properties in material development for the compounds recorded in the public database using the first-principles calculation, it is possible to efficiently find the compounds in which the desired properties are expected. In that case, in order to screen from a large number of candidate compounds, first-principles calculation is performed for many compounds. However, since the amount of data is enormous, it is possible to efficiently find realistic materials that can be used in industry by screening the data with the method or apparatus of the present invention.

なお、エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶ以上の条件を第１スクリーニング条件に含めることで、誘電体材料として、絶縁性の高い材料を見つけられることが期待できる。また、対象となる化合物の最安定構造（凸包）からの形成エネルギーの上昇分が１原子当たり０．０５ｅＶ以下となる条件を第１スクリーニング条件に含めることで、構造的に安定、もしくは不安定であっても比較的容易に合成できる誘電体材料を見つけられることが期待できる。 By including the condition that the energy band gap is 0.5 eV or more in the first screening condition, it can be expected that a material having high insulating property can be found as the dielectric material. Further, by including the condition that the increase in the formation energy from the most stable structure (convex hull) of the target compound is 0.05 eV or less per atom in the first screening condition, it is structurally stable or unstable. Even so, it can be expected that a dielectric material that can be synthesized relatively easily can be found.

好ましくは、本発明の誘電体材料の検出方法は、前記第一原理計算処理により求められた各酸化物の比誘電率に関する第２スクリーニング条件に基づき第２スクリーニングを行い、前記第２スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第３候補データを取得する工程を、さらに有する。 Preferably, in the method for detecting a dielectric material of the present invention, the second screening is performed based on the second screening condition regarding the relative permittivity of each oxide obtained by the first principle calculation process, and the second screening condition is satisfied. It further comprises a step of obtaining third candidate data for matching oxides.

第３候補データを取得する工程をさらに有することで、候補データが、さらに少なくなり、希望とする特性を有する可能性のある酸化物誘電体材料を見つけやすくなる。 By further including the step of acquiring the third candidate data, the number of candidate data is further reduced, and it becomes easier to find the oxide dielectric material which may have the desired properties.

好ましくは、前記第１スクリーニング条件は、酸化物結晶構造の単位格子あたりの原子数が６５原子以下であることの条件をさらに含む。この条件を第１スクリーニング条件に含ませることで、その後の工程での第一原理計算の計算時間が短くなり、より効率的に所望の特性が見込まれる化合物を見つけることができる。 Preferably, the first screening condition further includes the condition that the number of atoms per unit cell of the oxide crystal structure is 65 atoms or less. By including this condition in the first screening condition, the calculation time of the first-principles calculation in the subsequent step is shortened, and a compound expected to have desired properties can be found more efficiently.

本発明に係る誘電体材料の検出プログラムは、プログラム可能なコンピュータにおいて実行されたときに、上記のいずれかに記載の誘電体材料の検出方法を実行するように適応されたプログラムである。 The dielectric material detection program according to the present invention is a program adapted to execute the method for detecting a dielectric material according to any one of the above when executed in a programmable computer.

本発明に係る誘電体材料の検出方法によれば、下記に示すように、高温高周波で高い比誘電率を持つ誘電体材料を見出すことができた。
ＬｉＶＯ２ ，ＦｅＡｇＯ２ ，Ｅｒ２ Ｔｉ２ Ｏ７ ，Ｓｍ２ Ｔｉ２ Ｏ7 ，ＮａＶＯ２ ，Ｌｉ５ ＮｂＯ５ ，Ｖ２ ＷＯ６ ，ＦｅＣｕＯ２ ，ＰｒＣｒＯ３ ，Ｖ２ Ｃｏ３ Ｏ８ ，ＭｎＷＯ４ ，Ｇｄ２ Ｔｉ２ Ｏ７ ，ＶＢＯ３ ，Ｂｉ２ Ｔｉ４ Ｏ１１，Ｓｒ４ Ｔｉ３ Ｏ１０，ＥｒＣｕＯ３ ，ＮｄＴａ３ Ｏ９ ，ＧｄＶＯ４ ，ＮｂＶＯ５ ，ＷＯ３ ，Ｓｒ３ Ｆｅ２ Ｏ６ ，Ｂｉ２ Ｗ２ Ｏ９ ，Ｓｒ３ Ｔｉ２ Ｏ７ ，ＹｂＧｅＯ３ According to the method for detecting a dielectric material according to the present invention, as shown below, a dielectric material having a high relative permittivity at high temperature and high frequency could be found.
LiVO 2 , FeAgO 2 , Er 2 Ti 2 O 7 , Sm 2 Ti 2 O 7 , NaVO 2 , Li 5 NbO 5 , V 2 WO 6 , FeCuO 2 , PrCrO 3 , V 2 Co 3 O 8 , MnWO 4 , Gd 2 Ti 2 O 7 , VBO 3 , Bi 2 Ti 4 O 11 , Sr 4 Ti 3 O 10 , ErCuO 3 , NdTa 3 O 9 , GdVO 4 , NbVO 5 , WO 3 , Sr 3 Fe 2 O 6 , Bi 2 2 O 9 , Sr 3 Ti 2 O 7 , YbGeO 3

図１は本発明の一実施形態に係る誘電体材料の検出装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a dielectric material detection device according to an embodiment of the present invention. 図２は本発明の一実施形態に係る誘電体材料の検出方法を示すフローチャート図である。FIG. 2 is a flowchart showing a method for detecting a dielectric material according to an embodiment of the present invention. 図３Ａは図１に示すデータベースにアクセスして元素を選択する画面の一例を示す概略図である。FIG. 3A is a schematic view showing an example of a screen for accessing the database shown in FIG. 1 and selecting an element. 図３Ｂは図３Ａにて選択された元素に基づき取得された第１候補データの画面の一例を示す概略図である。FIG. 3B is a schematic view showing an example of a screen of the first candidate data acquired based on the element selected in FIG. 3A.

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。なお、本発明は、以下の実施形態および実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態および実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせても良いし、適宜選択して用いてもよい。 Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiments shown in the drawings. The present invention is not limited to the contents described in the following embodiments and examples. In addition, the components in the embodiments and examples described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, that is, those in a so-called equal range. Further, the components disclosed in the embodiments and examples described below may be appropriately combined or appropriately selected and used.

図１に示すように、本実施形態に係る誘電体材料の検出装置は、パソコン１０と、結晶構造の情報が格納されているデータベース２０と、第一原理計算手段３０とを有する。 As shown in FIG. 1, the dielectric material detection device according to the present embodiment includes a personal computer 10, a database 20 in which information on the crystal structure is stored, and a first-principles calculation means 30.

パソコン１０は、データベース２０を用い、選択された元素に基づきデータベース２０から酸化物結晶構造の第１候補データを取得する第１候補データ取得手段１０ａを有する。またパソコン１０は、第１候補データから、第１スクリーニング条件に基づき、第１スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第２候補データを取得する第２候補データ取得手段１０ｂを有する。さらに、パソコン１０は、第一原理計算手段３０により求められた各酸化物の比誘電率に関する第２スクリーニング条件に基づき第２スクリーニングを行い、第２スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第３候補データを取得する第３候補データ取得手段１０ｃを有していてもよい。 The personal computer 10 has a first candidate data acquisition means 10a that acquires the first candidate data of the oxide crystal structure from the database 20 based on the selected element using the database 20. Further, the personal computer 10 has a second candidate data acquisition unit 10b that acquires second candidate data regarding an oxide that matches the first screening condition from the first candidate data based on the first screening condition. Further, the personal computer 10 performs the second screening based on the second screening condition regarding the relative permittivity of each oxide obtained by the first principle calculation means 30, and the third candidate data regarding the oxide satisfying the second screening condition. 3rd candidate data acquisition means 10c for acquiring the data may be provided.

本実施形態では、パソコン１０とデータベース２０とは、インターネット４０によりデータ通信を行っているが、インターネット以外の手段でデータ通信されていてもよい。また、第一原理計算手段３０は、大型計算機などで構成されるが、パソコン１０自体で構成されていてもよい。パソコン１０と第一原理計算手段３０はＬｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＬＡＮ）によりデータ通信を行ってもいいが、インターネットなどそれ以外の方法で通信しても良い。あるいは、パソコン１０の第１候補データ取得手段１０ａまたは第２候補データ取得手段１０ｂで得られたデータを持ち運び可能な記録媒体に記憶させて、その記録媒体を移動させてもよい。その記録媒体から第一原理計算手段３０を有する高性能コンピュータなどにデータの移動（通信）を行ってもよい。 In the present embodiment, the personal computer 10 and the database 20 perform data communication via the Internet 40, but data communication may be performed by means other than the Internet. The first-principles calculation means 30 is composed of a large-scale computer or the like, but may be composed of the personal computer 10 itself. The personal computer 10 and the first-principles calculation means 30 may perform data communication by Local Area Network (LAN), but may also communicate by other methods such as the Internet. Alternatively, the data obtained by the first candidate data acquisition means 10a or the second candidate data acquisition means 10b of the personal computer 10 may be stored in a portable recording medium, and the recording medium may be moved. Data may be moved (communication) from the recording medium to a high-performance computer or the like having the first-principles calculation means 30.

また、本実施形態では、第１候補データ取得手段１０ａ、第２候補データ取得手段１０ｂおよび第３候補データ取得手段１０ｃは、コンピュータプログラムとして、パソコン１０に具備させているが、これらの一部または全ては、データベース２０を取り扱うインターネット上のコンピュータに具備させてもよい。あるいは、これらの一部または全ては、第一原理計算手段３０を有するコンピュータに具備させてもよい。 Further, in the present embodiment, the first candidate data acquisition means 10a, the second candidate data acquisition means 10b, and the third candidate data acquisition means 10c are provided in the personal computer 10 as computer programs, but some of them or All may be provided in a computer on the Internet that handles the database 20. Alternatively, some or all of these may be provided in a computer having first principle calculation means 30.

次に、主として図２のフローチャートに基づき、本発明の一実施形態に係る誘電体材料の検出方法について説明する。 Next, a method for detecting a dielectric material according to an embodiment of the present invention will be described mainly based on the flowchart of FIG.

まず、図２に示す制御がスタートすると、ステップＳ１にて、図１に示すパソコン１０は、データベース２０にアクセスする。結晶構造の情報が格納されているデータベース２０として、インターネット上に公開されているデータを使用することができる。データベース２０としては、たとえばＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｊｅｃｔ、 無機結晶構造データベース（ＩＣＳＤ）、無機材料データベース（ＡｔｏｍＷｏｒｋｓ）などを用いることができる。 First, when the control shown in FIG. 2 is started, the personal computer 10 shown in FIG. 1 accesses the database 20 in step S1. Data published on the Internet can be used as the database 20 in which information on the crystal structure is stored. As the database 20, for example, a Material Project, an inorganic crystal structure database (ICSD), an inorganic material database (AtomWorks), and the like can be used.

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｊｅｃｔには５０万以上の化合物のデータがあり、そのデータとして結晶構造の他、単位格子あたりの原子数、格子体積、格子密度、エネルギーバンドギャップ、１原子あたりの凸包からの形成エネルギーの上昇分、磁気モーメント等の情報が格納されている。 Material Project has data of more than 500,000 compounds, and the data includes crystal structure, number of atoms per unit lattice, lattice volume, lattice density, energy band gap, and formation energy from convex inclusions per atom. Information such as rising amount and magnetic moment is stored.

これら５０万以上の化合物の中から、酸化物を選択する。酸化物を選択する際には、図２に示すステップＳ２にて、酸化物を構成する元素を選択する。たとえば図１に示すパソコン１０の画面に、データベース２０へアクセスしている図３Ａに示す画面の一例が表示されている場合に、ＢａとＴｉとＯを選択する。 Oxides are selected from these 500,000 or more compounds. When selecting an oxide, the elements constituting the oxide are selected in step S2 shown in FIG. For example, when an example of the screen shown in FIG. 3A accessing the database 20 is displayed on the screen of the personal computer 10 shown in FIG. 1, Ba, Ti, and O are selected.

選択に応じて、図１に示す第１候補データ取得手段１０ａは、図２に示すステップＳ３にて、選択された元素から成る酸化物を検索して、その一覧を取得する。検索された酸化物の一覧の一例を図３Ｂに示す。 Depending on the selection, the first candidate data acquisition means 10a shown in FIG. 1 searches for an oxide composed of the selected element in step S3 shown in FIG. 2 and acquires a list thereof. An example of the list of searched oxides is shown in FIG. 3B.

次に、図１に示す第２候補データ取得手段１０ｂは、図２に示すステップＳ４にて、酸化物のエネルギーバンドギャップと１原子あたりの凸包からの形成エネルギーの上昇分に着目し、第１スクリーニング条件を設定し、ステップＳ５では、その条件に基づき化合物のスクリーニングを行う。 Next, the second candidate data acquisition means 10b shown in FIG. 1 pays attention to the energy band gap of the oxide and the increase in the formation energy from the convex hull per atom in step S4 shown in FIG. 1 Screening conditions are set, and in step S5, compounds are screened based on the conditions.

具体的には、図１に示す第２候補データ取得手段１０ｂが、０．５ｅＶ以上であるエネルギーバンドギャップを持つ化合物を列挙する。エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶである化合物は充分な絶縁抵抗を示すと考えられる。また、第２候補データ取得手段１０ｂは、１原子あたりの凸包からの形成エネルギーの上昇分が０．０５ｅＶ以下である化合物を列挙する。１原子あたりの凸包からの形成エネルギーの上昇分が０．０５ｅＶ以下である化合物は、実験的に安定して試料を作製することができると考えられる。 Specifically, the compounds having an energy band gap of 0.5 eV or more for which the second candidate data acquisition means 10b shown in FIG. 1 is listed are listed. A compound having an energy bandgap of 0.5 eV is considered to exhibit sufficient insulation resistance. Further, the second candidate data acquisition means 10b lists compounds in which the increase in formation energy from the convex hull per atom is 0.05 eV or less. It is considered that a compound in which the increase in formation energy from the convex hull per atom is 0.05 eV or less can be experimentally stable to prepare a sample.

図１に示す第２候補データ取得手段１０ｂにて第１スクリーニング条件にてスクリーニングして得られた酸化物に関する第２候補データは、データベース２０からダウンロードする。ダウンロードする結晶構造の数（第２候補データの数）に制限はないが、充分に多数の結晶構造に関する第２候補データをダウンロードする。たとえば第１候補データ取得手段１０ａにて選択された第１候補データの数が２００００程度であれば、そこから第１スクリーニング条件に基づき第２候補データ取得手段１０ｂにて選択された第２候補データの数は、１００００程度である。 The second candidate data regarding the oxide obtained by screening under the first screening condition by the second candidate data acquisition means 10b shown in FIG. 1 is downloaded from the database 20. There is no limit to the number of crystal structures to be downloaded (the number of second candidate data), but a sufficiently large number of second candidate data related to crystal structures are downloaded. For example, if the number of first candidate data selected by the first candidate data acquisition means 10a is about 20,000, the second candidate data selected by the second candidate data acquisition means 10b based on the first screening condition is obtained. The number of is about 10,000.

これらのダウンロードした結晶構造の第２候補データを用い、全てまたは一部の第２候補データに対応する化合物（酸化物）に対して、第一原理計算手段３０により比誘電率の計算を行う（図２に示すステップＳ６）。ダウンロードされた結晶構造の第２候補データは、第一原理計算手段３０で計算されやすいように、予め定められた計算条件となるようにデータが書き換えられてもよい。 Using the second candidate data of these downloaded crystal structures, the relative permittivity is calculated by the first-principles calculation means 30 for the compounds (oxides) corresponding to all or part of the second candidate data ( Step S6) shown in FIG. The downloaded second candidate data of the crystal structure may be rewritten so as to have predetermined calculation conditions so that the first principle calculation means 30 can easily calculate the second candidate data.

第一原理計算手段３０が行う第一原理計算と呼ばれる電子状態のシミュレーション計算について説明する。第一原理計算とは、経験的なフィッティングパラメータ等を一切使用しない電子状態計算の総称であり、単位格子や分子等を構成する各元素の原子番号と座標を入力するだけで、電子状態計算が可能な手法である。 A simulation calculation of an electronic state called a first-principles calculation performed by the first-principles calculation means 30 will be described. First-principles calculation is a general term for electronic state calculation that does not use any empirical fitting parameters, etc., and electronic state calculation can be performed simply by inputting the atomic numbers and coordinates of each element that constitutes a unit cell or molecule. This is a possible method.

第一原理計算の手法の一つとして、ＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ａｒｇｍｅｎｔｅｄ−Ｗａｖｅ）法と呼ばれる計算方法がある。この手法は高精度に、かつ比較的短時間で計算を行うことができるという利点があり、単位格子等を構成する各原子のポテンシャルを予め用意し電子状態計算を行うことで、構造最適化の計算も可能である。 As one of the first-principles calculation methods, there is a calculation method called PAW (Projector Argmented-Wave) method. This method has the advantage that the calculation can be performed with high accuracy and in a relatively short time. By preparing the potential of each atom constituting the unit cell etc. in advance and performing the electronic state calculation, the structure can be optimized. Calculation is also possible.

また、結晶中に多数存在する電子の相互作用を計算するため、密度汎関数法と呼ばれる計算手法を用いる。その密度汎関数法を用いた近似方法の一つとしてＧＧＡ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法がある。この方法を用いることにより、比較的精度よく電子状態の計算を行うことができる。 In addition, in order to calculate the interaction of many electrons existing in the crystal, a calculation method called density functional theory is used. As one of the approximation methods using the density functional theory, there is a method called GGA (Generalized Gradient Approximation). By using this method, it is possible to calculate the electronic state with relatively high accuracy.

さらに、比誘電率の計算にはＤＦＰＴ（Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ）と呼ばれる方法を用いる。この方法を用いることにより、比較的簡便かつ高速に、比誘電率の計算を行うことができる。 Further, a method called DFPT (Density Function Perturbation Theory) is used for the calculation of the relative permittivity. By using this method, the relative permittivity can be calculated relatively easily and at high speed.

また、ＤＦＰＴでは、イオン分極と電子分極による比誘電率を計算する。これらの分極の周波応答性は高いため、ＤＦＰＴにより高い比誘電率が予測された化合物は、高温高周波で高い比誘電率を示す電子材料として期待できる。 In DFPT, the relative permittivity due to ionic polarization and electronic polarization is calculated. Since the frequency responsiveness of these polarizations is high, a compound whose relative permittivity is predicted to be high by DFPT can be expected as an electronic material showing a high relative permittivity at high temperature and high frequency.

これらを内包した第一原理計算パッケージプログラムとして、ＶＡＳＰ（ｔｈｅ Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｃｈａｇｅ）と呼ばれるものがある。本発明の一実施形態では、第一原理計算手段３０での第一原理計算は、全てこのＶＡＳＰを用いている。 As a first-principles calculation package program including these, there is a program called VASP (the Vienna Ab-initio Simulation Page). In one embodiment of the present invention, this VASP is used for all the first-principles calculations in the first-principles calculation means 30.

図１に示す第３候補データ取得手段１０ｃでは、第一原理計算手段３０により計算された各化合物の比誘電率に対して、第２スクリーニング条件に基づき第２スクリーニングを行い、第２スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第３候補データを取得する（図２に示すステップＳ７）。第２スクリーニング条件に合致する酸化物の数としては、特に限定されないが、たとえば２０００程度である。 In the third candidate data acquisition means 10c shown in FIG. 1, the relative dielectric constant of each compound calculated by the first principle calculation means 30 is subjected to the second screening based on the second screening condition, and the second screening condition is set. Acquire third candidate data for matching oxides (step S7 shown in FIG. 2). The number of oxides that meet the second screening condition is not particularly limited, but is, for example, about 2000.

第２スクリーニング条件としては、ソフトモードフォノンと呼ばれる虚数の振動数を持つ格子振動を持たないこと、第一原理計算前の格子定数と第一原理計算後の格子定数が大幅に変化していないこと、などの条件である。 The second screening condition is that there is no lattice vibration with an imaginary frequency called soft mode phonon, and that the lattice constant before the first principle calculation and the lattice constant after the first principle calculation have not changed significantly. , Etc.

第一原理計算処理により求められた各酸化物の比誘電率に関する第２スクリーニング条件に基づき第２スクリーニングを行い、第２スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第３候補データは、図１に示すパソコン１０の画面で表示することが可能である。 The second screening is performed based on the second screening condition regarding the relative permittivity of each oxide obtained by the first-principles calculation processing, and the third candidate data regarding the oxide satisfying the second screening condition is the personal computer shown in FIG. It is possible to display on 10 screens.

本実施形態の装置および方法によれば、高い比誘電率を示す化合物を効率的に探索することができる。すなわち、本実施形態の装置および方法によれば、高温高周波での誘電率が比較的高い高温高周波対応の誘電体酸化物を、比較的に容易に見つけられる可能性がある。 According to the apparatus and method of the present embodiment, it is possible to efficiently search for a compound exhibiting a high relative permittivity. That is, according to the apparatus and method of the present embodiment, there is a possibility that a dielectric oxide corresponding to high temperature and high frequency having a relatively high dielectric constant at high temperature and high frequency can be relatively easily found.

また、最終的に得られた候補データに対応する試料は、作製しやすいことが予想され、実験的に試料を作成して精度よく比誘電率の評価を行うことができる。それにより、計算により理論的に算出した比誘電率を精度よく比較を行うことができる。 Further, it is expected that the sample corresponding to the finally obtained candidate data is easy to prepare, and the sample can be experimentally prepared and the relative permittivity can be evaluated with high accuracy. As a result, the relative permittivity theoretically calculated by calculation can be compared with high accuracy.

以上、本発明を好適に実施するための形態を説明したが、これに限定されない。たとえば、インターネット上に公開されているデータベース２０ではなく非公開のデータベースを用いてもよい。また、第一原理計算手段３０による第一原理計算の代わりに、古典分子動力学法や量子モンテカルロ法を用いても良い。本発明では、古典分子動力学法や量子モンテカルロ法も、まとめて第一原理計算の概念に入ることとする。 Although the embodiment for preferably carrying out the present invention has been described above, the present invention is not limited thereto. For example, a private database may be used instead of the database 20 published on the Internet. Further, instead of the first-principles calculation by the first-principles calculation means 30, a classical molecular dynamics method or a quantum Monte Carlo method may be used. In the present invention, the classical molecular dynamics method and the quantum Monte Carlo method are also collectively included in the concept of first-principles calculation.

また、上述した実施形態では、図２に示す各ステップＳ１〜Ｓ７のほとんどを、コンピュータのプログラミングで自動で行ったが、そのステップの少なくとも一部を、コンピュータ１０の操作者が行ってもよい。たとえばステップＳ２における酸化物を構成する元素の選択は、コンピュータのプログラミング（ＡＩ含む）が自動で行うことなく、操作者が行ってもよい。 Further, in the above-described embodiment, most of the steps S1 to S7 shown in FIG. 2 are automatically performed by computer programming, but at least a part of the steps may be performed by the operator of the computer 10. For example, the selection of the elements constituting the oxide in step S2 may be performed by the operator without being automatically performed by computer programming (including AI).

また、第１スクリーニング条件は、酸化物結晶構造の単位格子あたりの原子数が６５原子以下であることの条件をさらに含んでもよい。この条件を第１スクリーニング条件に含ませることで、その後の工程での第一原理計算の計算時間が短くなり、より効率的に所望の特性が見込まれる化合物を見つけることができる。 Further, the first screening condition may further include a condition that the number of atoms per unit cell of the oxide crystal structure is 65 atoms or less. By including this condition in the first screening condition, the calculation time of the first-principles calculation in the subsequent step is shortened, and a compound expected to have desired properties can be found more efficiently.

本発明の実施形態に係る誘電体材料の検出プログラムは、プログラム可能なコンピュータにおいて実行されたときに、上記のいずれかに記載の誘電体材料の検出方法を実行するように適応されたプログラムである。 The dielectric material detection program according to an embodiment of the present invention is a program adapted to execute the method for detecting a dielectric material according to any one of the above when executed in a programmable computer. ..

本発明の実施形態に係る誘電体材料の検出方法により検出される誘電体材料は、たとえば単板セラミックコンデンサ、あるいは多層積層コンデンサ、あるいはキャパシタ層を含む電子部品などの誘電体層の成形材料として好ましく用いることができる。 The dielectric material detected by the method for detecting a dielectric material according to the embodiment of the present invention is preferably used as a molding material for a dielectric layer such as a single plate ceramic capacitor, a multilayer multilayer capacitor, or an electronic component including a capacitor layer. Can be used.

以下、本発明の内容を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

実施例１〜７
結晶構造のデータベースとして、インターネット上に公開されているＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｊｅｃｔを利用する。酸素を含む複数の元素を選択することにより、データベースに収められている化合物の内、それらの元素からなる化合物の一覧（第１候補データ）を参照することができる。第１候補データの数は、約２００００である。 Examples 1-7
As a database of crystal structure, Material Project published on the Internet is used. By selecting a plurality of elements containing oxygen, a list of compounds composed of those elements (first candidate data) can be referred to from the compounds stored in the database. The number of first candidate data is about 20000.

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｊｅｃｔには、それら化合物の空間群、エネルギーバンドギャップ、凸包からの形成エネルギーの上昇分（Ｅｎｅｒｇｙ ａｂｏｖｅ ｈｕｌｌ）、単位格子あたりの原子数などのデータなどが格納されている。 The Materials Project stores data such as the space group of these compounds, the energy band gap, the amount of increase in the formation energy from the convex hull (Energy above hull), and the number of atoms per unit cell.

前記データの内、エネルギーバンドギャップと凸包からの形成エネルギーの上昇分に着目し、エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶ以上であり、かつ凸包からの形成エネルギーの上昇分が０．０５ｅＶ以下である化合物を選択する。そして、選択された化合物の結晶構造をダウンロードする。 In the above data, paying attention to the increase in the formation energy from the energy band gap and the convex hull, the energy band gap is 0.5 eV or more, and the increase in the formation energy from the convex hull is 0.05 eV or less. Select a compound. Then, the crystal structure of the selected compound is downloaded.

酸素を含むすべての元素の組み合わせに対して同様の作業を行い、約１００００種以下の酸化物の結晶構造データ（第２候補データ）を得た。 The same work was performed on all combinations of elements including oxygen, and crystal structure data (second candidate data) of about 10,000 or less oxides were obtained.

これらの結晶構造データ（第２候補データ）を用い、それぞれの酸化物に対して、第一原理計算によりエネルギー的に最安定な格子定数や原子位置を計算した。さらに得られたエネルギー的に最安定な格子定数や原子位置の結果を用い、ＤＦＰＴ法により比誘電率の計算を行った。その上で、比誘電率が報告されている酸化物については文献値と計算値の比較を行った。結果を表１に示す。なお、表１に示す比誘電率の文献値は、それぞれ表２に示す文献値から引用した。 Using these crystal structure data (second candidate data), the most energetically stable lattice constant and atomic position were calculated for each oxide by first-principles calculation. Furthermore, the relative permittivity was calculated by the DFPT method using the results of the energetically most stable lattice constant and atomic position obtained. After that, for oxides whose relative permittivity has been reported, the literature values and calculated values were compared. The results are shown in Table 1. The literature values of the relative permittivity shown in Table 1 are taken from the literature values shown in Table 2, respectively.

表１より、実施例比誘電率（文献値）と比誘電率（計算値）の比は０．９４〜１．１２であり、非常に良い一致を示している。一方、比誘電率の計算時間は最短で１１分、最長でも５日程度である。このことから比誘電率が短時間で精度よく評価できていることがわかる。したがって、実施例の方法を使用することで、たとえば新規な誘電体材料を見つけ出すことができる可能性がある。 From Table 1, the ratio of the relative permittivity (literature value) and the relative permittivity (calculated value) of Examples is 0.94 to 1.12, which are very good agreements. On the other hand, the calculation time of the relative permittivity is 11 minutes at the shortest and about 5 days at the longest. From this, it can be seen that the relative permittivity can be evaluated accurately in a short time. Therefore, by using the method of the example, it may be possible to find, for example, a new dielectric material.

なお、表１に示すように、酸化物結晶構造の単位格子あたりの原子数が、好ましくは６５原子以下、さらに好ましくは４０以下、特に好ましくは２０以下の場合に、計算時間を短縮することができることが確認できた。 As shown in Table 1, the calculation time can be shortened when the number of atoms per unit cell of the oxide crystal structure is preferably 65 atoms or less, more preferably 40 or less, and particularly preferably 20 or less. I was able to confirm that I could do it.

比較例１
実施例１と同様の方法により結晶構造データを得て、第一原理計算（ＤＦＰＴ含む）により比誘電率の計算を行った。結果を表１に示す。表１より、比誘電率（文献値）と比誘電率（計算値）の比は０．６９であり、酸化物の場合と比較して、評価の精度が劣ることが確認された。 Comparative Example 1
Crystal structure data was obtained by the same method as in Example 1, and the relative permittivity was calculated by first-principles calculation (including DFPT). The results are shown in Table 1. From Table 1, it was confirmed that the ratio of the relative permittivity (literature value) to the relative permittivity (calculated value) was 0.69, and the evaluation accuracy was inferior to that of the oxide.

比較例２
エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶ以下であること以外は実施例１と同様の方法により結晶構造データを得て、第一原理計算（ＤＦＰＴ含む）により比誘電率の計算を行った。結果を表１に示す。表１より、比誘電率（計算値）は算出できるものの、比誘電率（文献値）のデータがなかった。比較例２に係る試料の絶縁抵抗が低いため、実験的に比誘電率を評価することが困難なためであると考えられる。 Comparative Example 2
Crystal structure data was obtained by the same method as in Example 1 except that the energy band gap was 0.5 eV or less, and the relative permittivity was calculated by first-principles calculation (including DFPT). The results are shown in Table 1. From Table 1, although the relative permittivity (calculated value) can be calculated, there is no data on the relative permittivity (literature value). It is considered that this is because it is difficult to experimentally evaluate the relative permittivity because the insulation resistance of the sample according to Comparative Example 2 is low.

比較例３
凸包からの形成エネルギーの上昇分が０．０５ｅＶ以上であること以外は実施例１と同様の方法により結晶構造データを得て、第一原理計算（ＤＦＰＴ含む）により比誘電率の計算を行った。表１より、比誘電率（計算値）は算出できるものの、比誘電率（文献値）のデータがなかった。化合物の化学的安定生成が低いため、実際に試料を作製することが困難なためであると考えられる。 Comparative Example 3
Crystal structure data is obtained by the same method as in Example 1 except that the increase in formation energy from the convex hull is 0.05 eV or more, and the relative permittivity is calculated by first-principles calculation (including DFPT). It was. From Table 1, although the relative permittivity (calculated value) can be calculated, there is no data on the relative permittivity (literature value). It is considered that this is because it is difficult to actually prepare a sample because the chemically stable formation of the compound is low.

実施例６〜３１
実施例１と同様の方法により結晶構造データを得て、第一原理計算（ＤＦＰＴ含む）により比誘電率の計算を行った。結果を表３に示す。表３に示すような化合物において１００以上の高い誘電率を示しており、実際に高温高周波で高い比誘電率を示す電子材料として期待できる。また、表３に示す化合物は高い誘電特性を示しているが、一般には例えば磁性体として知られている。 Examples 6-31
Crystal structure data was obtained by the same method as in Example 1, and the relative permittivity was calculated by first-principles calculation (including DFPT). The results are shown in Table 3. The compounds shown in Table 3 have a high dielectric constant of 100 or more, and can be expected as an electronic material that actually exhibits a high relative permittivity at high temperature and high frequency. Further, although the compounds shown in Table 3 show high dielectric properties, they are generally known as magnetic substances, for example.

Figure 2021028732
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１０… コンピュータ
１０ａ… 第１候補データ取得手段
１０ｂ… 第２候補データ取得手段
１０ｃ… 第３候補データ取得手段
２０… データベース
３０… 第一原理計算手段
４０… インターネット 10 ... Computer 10a ... First candidate data acquisition means 10b ... Second candidate data acquisition means 10c ... Third candidate data acquisition means 20 ... Database 30 ... First principle calculation means 40 ... Internet

Claims (6)

結晶構造の情報が格納されているデータベースを用い、選択された元素に基づき前記データベースから酸化物結晶構造の第１候補データを取得する工程と、
前記第１候補データから、第１スクリーニング条件に基づき、前記第１スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第２候補データを取得する工程と、
前記第２候補データに対応する各酸化物の結晶構造を用いて第一原理計算処理を行い比誘電率を求める工程と、を有する誘電体材料の検出方法であって、
前記第１スクリーニング条件が、エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶ以上で、対象となる組成物の最安定構造からの形成エネルギーの上昇分が１原子あたり０．０５ｅＶ以下である結晶構造のデータを抽出することである誘電体材料の検出方法。 Using a database that stores crystal structure information, the process of acquiring the first candidate data of the oxide crystal structure from the database based on the selected element, and
From the first candidate data, a step of acquiring second candidate data regarding an oxide that matches the first screening condition based on the first screening condition, and
A method for detecting a dielectric material, which comprises a step of performing a first-principles calculation process using the crystal structure of each oxide corresponding to the second candidate data to obtain a relative permittivity.
The first screening condition is to extract crystal structure data in which the energy band gap is 0.5 eV or more and the increase in formation energy from the most stable structure of the target composition is 0.05 eV or less per atom. That is a method of detecting a dielectric material. 前記第一原理計算処理により求められた各酸化物の比誘電率に関する第２スクリーニング条件に基づき第２スクリーニングを行い、前記第２スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第３候補データを取得する工程を、さらに有する請求項１に記載の誘電体材料の検出方法。 A step of performing a second screening based on a second screening condition regarding the relative permittivity of each oxide obtained by the first principle calculation process and acquiring a third candidate data regarding an oxide that matches the second screening condition. The method for detecting a dielectric material according to claim 1, further comprising. 前記第１スクリーニング条件は、酸化物結晶構造の単位格子あたりの原子数が６５原子以下であることの条件をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体材料の検出方法。 The method for detecting a dielectric material according to claim 1 or 2, wherein the first screening condition further includes a condition that the number of atoms per unit cell of the oxide crystal structure is 65 atoms or less. プログラム可能なコンピュータにおいて実行されたときに、請求項１〜３のいずれかに記載の誘電体材料の検出方法を実行するように適応された誘電体材料検出プログラム。 A dielectric material detection program adapted to perform the method for detecting a dielectric material according to any one of claims 1 to 3 when executed in a programmable computer. 結晶構造の情報が格納されているデータベースを用い、選択された元素に基づき前記データベースから酸化物結晶構造の第１候補データを取得する第１候補データ取得手段と、
前記第１候補データから、第１スクリーニング条件に基づき、前記第１スクリーニング条件に合致する酸化物に関する第２候補データを取得する第２候補データ取得手段と、
前記第２候補データに対応する各酸化物の結晶構造を用いて第一原理計算処理を行い比誘電率を求める第一原理計算手段と、を有する誘電体材料の検出装置であって、
前記第１スクリーニング条件が、エネルギーバンドギャップが０．５ｅＶ以上で、対象となる組成物の最安定構造からの形成エネルギーの上昇分が１原子あたり０．０５ｅＶ以下である結晶構造のデータを抽出することである誘電体材料の検出装置。 A first candidate data acquisition means for acquiring the first candidate data of the oxide crystal structure from the database based on the selected element using a database in which the crystal structure information is stored, and
A second candidate data acquisition means for acquiring a second candidate data regarding an oxide that matches the first screening condition from the first candidate data based on the first screening condition.
A dielectric material detection device having a first-principles calculation means for obtaining a relative permittivity by performing a first-principles calculation process using the crystal structure of each oxide corresponding to the second candidate data.
The first screening condition is to extract crystal structure data in which the energy band gap is 0.5 eV or more and the increase in formation energy from the most stable structure of the target composition is 0.05 eV or less per atom. That is a dielectric material detector. 前記請求項１〜３の誘電体材料の検出方法により得られた以下に記載されるいずれか一つの誘電体組成物。
ＬｉＶＯ２ ，ＦｅＡｇＯ２ ，Ｅｒ２ Ｔｉ２ Ｏ７ ，Ｓｍ２ Ｔｉ２ Ｏ7 ，ＮａＶＯ２ ，Ｌｉ５ ＮｂＯ５ ，Ｖ２ ＷＯ６ ，ＦｅＣｕＯ２ ，ＰｒＣｒＯ３ ，Ｖ２ Ｃｏ３ Ｏ８ ，ＭｎＷＯ４ ，Ｇｄ２ Ｔｉ２ Ｏ７ ，ＶＢＯ３ ，Ｂｉ２ Ｔｉ４ Ｏ１１，Ｓｒ４ Ｔｉ３ Ｏ１０，ＥｒＣｕＯ３ ，ＮｄＴａ３ Ｏ９ ，ＧｄＶＯ４ ，ＮｂＶＯ５ ，ＷＯ３ ，Ｓｒ３ Ｆｅ２ Ｏ６ ，Ｂｉ２ Ｗ２ Ｏ９ ，Ｓｒ３ Ｔｉ２ Ｏ７ ，ＹｂＧｅＯ３ The dielectric composition according to any one of the following, which is obtained by the method for detecting a dielectric material according to any one of claims 1 to 3.
LiVO 2 , FeAgO 2 , Er 2 Ti 2 O 7 , Sm 2 Ti 2 O 7 , NaVO 2 , Li 5 NbO 5 , V 2 WO 6 , FeCuO 2 , PrCrO 3 , V 2 Co 3 O 8 , MnWO 4 , Gd 2 Ti 2 O 7 , VBO 3 , Bi 2 Ti 4 O 11 , Sr 4 Ti 3 O 10 , ErCuO 3 , NdTa 3 O 9 , GdVO 4 , NbVO 5 , WO 3 , Sr 3 Fe 2 O 6 , Bi 2 2 O 9 , Sr 3 Ti 2 O 7 , YbGeO 3
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