Defect graph neural networks for materials discovery in high-temperature clean-energy applications

人工神经网络 空位缺陷 计算机科学 图形 图论 材料科学 计算科学 理论计算机科学 机器学习 化学 数学 结晶学 组合数学
作者
Matthew Witman,Anuj Goyal,Tadashi Ogitsu,Anthony H. McDaniel,Stephan Lany
出处
期刊:Nature Computational Science [Nature Portfolio]
卷期号:3 (8): 675-686 被引量:35
标识
DOI:10.1038/s43588-023-00495-2
摘要

We present a graph neural network approach that fully automates the prediction of defect formation enthalpies for any crystallographic site from the ideal crystal structure, without the need to create defected atomic structure models as input. Here we used density functional theory reference data for vacancy defects in oxides, to train a defect graph neural network (dGNN) model that replaces the density functional theory supercell relaxations otherwise required for each symmetrically unique crystal site. Interfaced with thermodynamic calculations of reduction entropies and associated free energies, the dGNN model is applied to the screening of oxides in the Materials Project database, connecting the zero-kelvin defect enthalpies to high-temperature process conditions relevant for solar thermochemical hydrogen production and other energy applications. The dGNN approach is applicable to arbitrary structures with an accuracy limited principally by the amount and diversity of the training data, and it is generalizable to other defect types and advanced graph convolution architectures. It will help to tackle future materials discovery problems in clean energy and beyond. Automating materials’ defect predictions with graph neural networks, when coupled to first principles thermodynamic calculations, accelerates materials discovery for a variety of high-temperature, clean-energy applications.
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