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Silicon Liquid Structure and Crystal Nucleation from Ab Initio Deep Metadynamics

元动力学 成核 结晶 从头算 材料科学 统计物理学 分子动力学 热力学 化学物理 物理 量子力学
作者
Luigi Bonati,Michele Parrinello
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:121 (26): 265701-265701 被引量:148
标识
DOI:10.1103/physrevlett.121.265701
摘要

Studying the crystallization process of silicon is a challenging task since empirical potentials are not able to reproduce well the properties of both a semiconducting solid and metallic liquid. On the other hand, nucleation is a rare event that occurs in much longer timescales than those achievable by ab initio molecular dynamics. To address this problem, we train a deep neural network potential based on a set of data generated by metadynamics simulations using a classical potential. We show how this is an effective way to collect all the relevant data for the process of interest. In order to efficiently drive the crystallization process, we introduce a new collective variable based on the Debye structure factor. We are able to encode the long-range order information in a local variable which is better suited to describe the nucleation dynamics. The reference energies are then calculated using the strongly constrained and appropriately normed (SCAN) exchange-correlation functional, which is able to get a better description of the bonding complexity of the Si phase diagram. Finally, we recover the free energy surface with a density functional theory accuracy, and we compute the thermodynamics properties near the melting point, obtaining a good agreement with experimental data. In addition, we study the early stages of the crystallization process, unveiling features of the nucleation mechanism.
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