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ACS AMI：機器學(xué)習(xí)+DFT預(yù)測范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)

范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)是由不同的二維（2D）單層垂直堆疊并通過范德華相互作用弱耦合而形成的，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)通常具有豐富的物理化學(xué)性質(zhì)。由于最近發(fā)現(xiàn)了許多2D材料，vdW堆疊異質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)型空間變得非常大，因此很難通過傳統(tǒng)的實驗或計算方法以試錯法的方式進行探索。

在此，美國德州農(nóng)工大學(xué)Fengxiao Qian、Tahir Cagin及空軍研究實驗室Ruth Pachter等人提出了一個計算框架，它結(jié)合了第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算、2D材料數(shù)據(jù)庫和監(jiān)督機器學(xué)習(xí)方法來構(gòu)建有效的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，該模型能夠根據(jù)其組成的單層特性預(yù)測vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子和結(jié)構(gòu)特性。

首先，作者從2D材料數(shù)據(jù)庫中挖掘材料數(shù)據(jù)和基態(tài)晶體結(jié)構(gòu)。然后，對vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計空間進行采樣。隨后優(yōu)化雙層晶胞和原子位置，并使用高通量DFT計算獲取相應(yīng)的電子能帶結(jié)構(gòu)。最后，確定了五個目標(biāo)材料特性：電子帶隙（E_g）、電子親和能（EA）、電離能（IE）、層間距離（d₀）和層間結(jié)合能（E_b）。同時，作者對單層材料數(shù)據(jù)進行特征化和聚合，為整個材料設(shè)計空間構(gòu)建了一組獨特的雙層機器學(xué)習(xí)描述符。

圖1. DFT計算和機器學(xué)習(xí)工作流程的一般示意圖

進一步，使用近800個vdW雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的DFT目標(biāo)屬性，作者訓(xùn)練了監(jiān)督機器學(xué)習(xí)模型并對剩余的未標(biāo)記雙層材料空間進行預(yù)測。研究表明，開發(fā)的機器學(xué)習(xí)模型可實現(xiàn)低誤差預(yù)測E_g、IE、EA、d₀和E_b，為篩選巨大的雙層vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料空間提供了有價值的工具并顯著降低了廣泛的光電應(yīng)用的計算成本。

此外，對于AA和AB堆疊配置，大多數(shù)vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的平衡層間距離存在很大差異。因此，預(yù)計其相應(yīng)的扭曲莫爾異質(zhì)結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷原子重建，具有空間變化的面外彎曲和面內(nèi)張力和壓縮，這最終將影響莫爾超晶格中準(zhǔn)粒子之間的相互作用?？傊?，這項研究提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型將為有效篩選和發(fā)現(xiàn)具有目標(biāo)器件應(yīng)用所需電子和光學(xué)特性的低維vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)和莫爾超晶格開辟新道路。

圖2. 層間距離和層間結(jié)合能的預(yù)測結(jié)果

Predicting Van der Waals Heterostructures by a Combined Machine Learning and Density Functional Theory Approach, ACS Applied Materials & Interfaces 2022. DOI: 10.1021/acsami.2c04403

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