Sci.Adv.：晶体图重目力汇散用于展看晃动质料 – 质料牛

发布时间：2025-04-05 19:03:52 来源： 作者：神秘故事

一、晶体导读

机械进建格式正在质料科教战固态物理中发挥了愈去愈小大的图重熏染感动。与稀度泛函实际(DFT)等传统格式比照，目力机械进建格式所需的汇散晃动合计时候要少多少个数目级，展看质料性量的用于精确服从够以与重新合计法相媲好。正在过去的展看质料质料多少年里，人们斥天了种种机械去展看带隙，晶体硬度，图重磁修正温度等种种物理性量。目力其中一本性量是汇散晃动抉择给定物量晃动性的能量。因此，用于展看能量值对于寻寻新的展看质料质料晃动革开物那一使命至关尾要。

寻寻新质料的晶体今世取代庖署实际格式收罗扫描晶体挨算的部份组成空间，用DFT劣化每一个晶体，图重而后将DFT能量与残缺可能的目力分解通讲妨碍比力。两元组开空间很随意用DFT妨碍展看，且足艺已经成去世。可是，有小大约10⁵种三元组开，需供小大量的化教合计。四元导致更下的组开用DFT易以处置，可是机械进建却有希看处置相闭问题下场。下通量搜查的尾要战最实用的格式是合计单个本型的残缺热力教晃动性凸包的距离，那一步可能经由历程实习特定的机械进建模子小大小大减速，惟独供为每一个本型提供孤坐的实习数据。此外一种抉择是斥天基于组开的模子，那类模子与本型无闭，可能确定潜在的不酿成份。可是，它们出法提供任何闭于质料晶体挨算的疑息。

此外，借有小大量的疑息传递汇散(MPNs)，它们基于簿本位置战组成去展看挨算组成战尽对于能量。那些汇散同样艰深可能抵达很下的细度，但不幸的是，它们需供先验的晶体挨算知识(收罗晶格背量战簿本位置)，而那些知识正在搜查新质料时同样艰深是不成用的。

二、功能掠影

德国耶拿弗里德里希-席勒小大教战欧洲实际光谱钻研所Silvana Botti教授团队斥天了一个逾越上述残缺格式的用于展看晃动质料的模子，该模子基于组开物战通用挨算本型去展看到凸包的距离，而不需供精确的晶体挨算知识。

齐文从斥天的模子战堆散的数据散匹里劈头形貌，经由历程详细钻研钙钛矿的第四系族去提醉模子的强度，患上到下场，并正在质料战格式中谈判了工做的细节。

相闭钻研工做以“Crystal graph attention networks for the prediction of stable materials

”为题宣告正在国内顶级期刊Sci.Adv.上。

三、中间坐异

用于钻研晶体挨算的图神经汇散同样艰深操做簿本位置战簿本种类做为输进。但由于正在展看新质料时那些疑息是不成用（由于精确的多少多疑息是已经知的）。做者经由历程用图距离的嵌进替换精确的键距分别避让那个问题下场，使患上文章中的汇散可能直策操做于基于成份战晶体挨算本型的下通量钻研，而无需操做松张挨算做为输进。做者堆散了一个逾越200万稀度泛函合计的晶体数据散，具备不同的合计参数，而且将患上到的模子操做于1500万个成份为ABCD₂的四圆钙钛矿的下通量搜查。下场确定了数千种潜在的晃动革开物，并证实用迁移进建正擅后可能将所需的实习数据削减50%。

四、数据概览

图1 晶体挨算转化为图形。© 2023 AAAS

晶体挨算是异化钙钛矿，思考五个比去的邻人。其中蓝色边代表第一邻人，乌色边代表第两邻人，绿色边代表第三邻人。正在新闻传递法式圭表尺度中，每一个孤坐的边战极面嵌进皆基于其邻域妨碍更新。

图2 形貌竖坐数据散的工做流战产去世的能量扩散的模式。© 2023 AAAS

AFLOW合计270万次，质料名目合计14万次，组內堆散合计130万次，事实下场患上到209万个数据面(其中AFLOW合计96万次，质料名目合计0.10万次，组内数据合计102万次)。右侧隐现了事实下场数据散的凸包的距离的直圆图。

图3 到凸包的距离扩散。© 2023 AAAS

橙色展现小大部份晃动或者接远晃动的化开物，那些化开物是由化教性量相似的元素替换而成的晃动挨算。具备残缺成份的下通量钻研隐现为蓝色/红色。机械进建(ML)指面的下通量钻研隐现绿色。

图4细确展看多态性之间相对于晃动性的百分比与比力多态性之间能量的最小好异。© 2023 AAAS

主图隐现了细确展看的多态性之间的相对于晃动性的百分比，做为比力多态性之间能量的最小好异的函数。插图:隐现了具备确定数目的多晶型的化教成份的扩散。该数据收罗正在测试散开至少隐现两次的残缺组开。

图5测试MAE与实习散开系统数目的关连。© 2023 AAAS

隐现了异化钙钛矿测试散的MAE，依靠于晶体图看重汇散战3D ElemNet模子的异化钙钛矿数目。

图6 收罗每一个元素挨算的MAE。© 2023 AAAS

正在收罗每一种化教元素的测试散开异化钙钛矿的MAE。

五、功能开辟

做者斥天了一个新的机械进建模子，以组成战挨算本型为底子展看质料的能量。与以前的格式比照，该模子输进特色不需供精确的多少多知识，因此可能用于基于DFT的下通量格式，减速新质料的收现。咱们的机械依靠于晶体图重目力神经汇散，正在新闻传递法式圭表尺度中，每一个自力的边战极面嵌进皆基于其邻域妨碍更新。为了实习那台机械，做者编译并操持了一个逾越200万稀度泛函合计的小大型数据散。那些数据收罗去安定线数据库的数据面战自己的合计。尽管那个数据散的规模很小大，但由于良多合计皆是针对于相对于较少的不开晶体本型，因此那个数据散略有标的目的。

为了不那个问题下场，做者借提出了一种迁移进建格式，通用目的模子被重新实习为特定的晶体挨算。经由历程对于第四系钙钛矿妨碍魔难魔难，批注迁移进建可能将模子的实习速率后退两倍。经由历程从实习中轻忽露钒化开物，做者借批注该汇散可能牢靠天中推到周期表的已经知地域。

最后，用该实习模子去展看晃动的第四系钙钛矿，而后用DFT验证了展看。事真证实，有逾越2万种质料有很好的机缘被魔难魔难分解。那些小大概况是颠倒的钙钛矿，正在八里体的中间有氢、碳或者氮，正在八里体的极面有两种金属开金化。综上所述，那类模子散漫迁移进建足艺将使人们正在寻寻新的晃动晶体化开物标的目的探供更广漠广漠豪爽的化教空间。

本文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi7948

本文由雾起供稿。

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