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npj Comput. Mater.: 專用的高精度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)能在鈦機(jī)械響應(yīng)中的應(yīng)用

大規(guī)模原子模擬提供了對(duì)實(shí)驗(yàn)或基于量子力學(xué)的計(jì)算方法不易獲得的重要材料現(xiàn)象的直接研究。準(zhǔn)確有效的原子間勢(shì)能是關(guān)鍵的推動(dòng)因素，但其發(fā)展仍然是復(fù)雜材料/現(xiàn)象的挑戰(zhàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)能，如深度勢(shì)能（DP）方法，提供了產(chǎn)生通用原子間勢(shì)能的強(qiáng)大方法。

在此，香港城市大學(xué)Zhaoxuan Wu及北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所王涵等人提出了基于當(dāng)前深度勢(shì)能生成器（DP-GEN）方案的擴(kuò)展，即專用的DP方法并將其命名為“DPspecX”，其中X指的是專門(mén)針對(duì)的屬性。

本研究中專業(yè)化是針對(duì)Ti的機(jī)械響應(yīng)，即“Ti-DPspecMech”，通過(guò)系統(tǒng)地訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢(shì)能以重現(xiàn)Ti的晶體結(jié)構(gòu)、彈性常數(shù)張量、表面和堆垛層錯(cuò)能。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包括文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和本工作中計(jì)算的DFT數(shù)據(jù)，由此產(chǎn)生的勢(shì)能不僅精確地再現(xiàn)了控制訓(xùn)練中使用的機(jī)械行為的缺陷特性，而且還捕獲了訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中未明確包含的各種特性，包括空位形成能量、相變溫度、熱膨脹及HCP和BCC結(jié)構(gòu)中所有相關(guān)滑移面的γ線等。

圖1. HCP Ti中幾個(gè)平面上的廣義堆垛層錯(cuò)能（γ線）

不同相的自由能計(jì)算進(jìn)一步表明，勢(shì)能在一定壓力和溫度范圍內(nèi)再現(xiàn)了HCP、BCC和液相之間的相穩(wěn)定性。此外，對(duì)于具有幾十個(gè)原子的系統(tǒng)，DP 比 DFT（VASP）快10⁶倍以上，因此，DP模型可用于以相對(duì)較好的精度和速度對(duì)許多缺陷進(jìn)行大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬，包括位錯(cuò)、晶界和相界，這些缺陷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出DFT的范圍。該方法是通用的，可用于開(kāi)發(fā)Ti以外材料的原子間勢(shì)能及DP框架內(nèi)機(jī)械響應(yīng)以外的應(yīng)用或其他基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。

特殊數(shù)據(jù)集的選擇可以標(biāo)準(zhǔn)化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)算法/代碼（例如，TensorFlow）進(jìn)行優(yōu)化。因此，這種方法代表了從經(jīng)驗(yàn)主義驅(qū)動(dòng)到符合目標(biāo)的機(jī)器驅(qū)動(dòng)原子間勢(shì)能的轉(zhuǎn)變。

圖2. HCP Ti的有限溫度特性

Specialising neural network potentials for accurate properties and application to the mechanical response of titanium, npj Computational Materials 2021. DOI: 10.1038/s41524-021-00661-y

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