科學(xué)家在化學(xué)無序材料電子結(jié)構(gòu)預(yù)測方面取得進(jìn)展
軍工資源網(wǎng) 2023年02月24日確定材料的微結(jié)構(gòu)是認(rèn)識和改性材料的前提?；瘜W(xué)無序材料指晶格有序但元素成分無序的一類材料。從化學(xué)成分的角度來看，化學(xué)無序材料可分為陰離子、陽離子和缺陷對應(yīng)體，可以簡單地認(rèn)為是陰離子、陽離子和缺陷占據(jù)了非周期位點?；瘜W(xué)無序材料由于其獨特的性質(zhì)在半導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)體、金屬合金、陶瓷和沸石催化劑等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。研究無序材料的結(jié)構(gòu)對于理解無序材料性質(zhì)和指導(dǎo)實驗具有重要價值。因為部分晶格位點的原子占據(jù)不確定性，化學(xué)無序材料的確切結(jié)構(gòu)一直尚未解決?；瘜W(xué)無序材料的結(jié)構(gòu)預(yù)測是極具挑戰(zhàn)的，其隨著體系尺寸增加變得愈加復(fù)雜。前期研究利用晶體對稱性除重、集團(tuán)展開和機器學(xué)習(xí)勢等技術(shù)加速了化學(xué)無序材料的結(jié)構(gòu)預(yù)測，但仍面臨大量昂貴的第一性原理計算。
中國科學(xué)院力學(xué)研究所和中科院山西煤炭化學(xué)研究所/中科合成油技術(shù)有限公司聯(lián)合團(tuán)隊發(fā)展了“辣搜”（LAsou）方法來高效預(yù)測化學(xué)無序材料的電子結(jié)構(gòu)。三種不同的、典型的有限尺寸體系測試表明【陰離子無序的BaSc(OxF1-x)3、陽離子無序的Ca1-xMnxCO3和缺陷無序的ε-FeCx】，與傳統(tǒng)枚舉法相比，“辣搜”方法僅需要非常少的第一性原理計算就可以快速找到熱力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。“辣搜”方法是一種簡單而高效的方法，結(jié)合第一性原理計算和主動學(xué)習(xí)算法來搜索化學(xué)無序材料的熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)?！袄彼选狈椒ㄔ诮鉀Q多體體系的“指數(shù)墻”（由于計算復(fù)雜度隨自由度指數(shù)上升而形成的壁壘）問題方面顯示出巨大潛力。在“辣搜”方法中，機器學(xué)習(xí)勢可以通過大采樣空間的預(yù)測和篩選大大減少第一性原理的計算量，集成學(xué)習(xí)算法可以顯著提高能量和弛豫預(yù)測的穩(wěn)定性，主動學(xué)習(xí)算法可以在線逐步提高機器學(xué)習(xí)勢的精度，從而不需要預(yù)先準(zhǔn)備大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。結(jié)合這些優(yōu)點和特點，基于主動學(xué)習(xí)的“辣搜”方法將有助于更大、更復(fù)雜、準(zhǔn)無限尺寸系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，以及出現(xiàn)在納米顆粒、催化劑、固溶體、高熵合金和高熵氧化物等新材料中。
相關(guān)研究成果以Active learning to overcome exponential-wall problem for effective structure prediction of chemical-disordered materials為題發(fā)表于npj Computational Materials。
圖1 基于主動學(xué)習(xí)的“辣搜”方法流程圖。概述了與第一性原理計算相結(jié)合的用于有限尺寸化學(xué)無序材料結(jié)構(gòu)預(yù)測的方法。
圖2 枚舉法和“辣搜”法在BaSc(OxF1-x)3 (x=0.667)體系的表現(xiàn)。（a）2664個枚舉結(jié)構(gòu)和最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總能量散點圖。（藍(lán)色圓圈代表每個結(jié)構(gòu)的能量，紅色虛線圓圈代表能量最低的結(jié)構(gòu)。）（b）“辣搜”方法搜索過程中總能量隨搜索代數(shù)的演化。（紅色三角形代表歷史上搜索過的最低能量結(jié)構(gòu)。）
圖3 枚舉法和“辣搜”法在Ca1-xMnxCO3 (x=0.25)體系的表現(xiàn)。（a）1033個枚舉結(jié)構(gòu)和最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總能量散點圖。（b）“辣搜”方法搜索過程中總能量隨搜索代數(shù)的演化。
圖4 枚舉法和“辣搜”法在ε-FeCx (x=0.5)體系的表現(xiàn)。（a）10496個枚舉結(jié)構(gòu)和最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總能量散點圖。（b）“辣搜”方法搜索過程中總能量隨搜索代數(shù)的演化。