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Breaking the size limitation of nonadiabatic molecular dynamics in condensed matter systems with local descriptor machine learning

动力学(音乐) 统计物理学 化学物理 分子动力学 活性物质 物理 计算机科学 经典力学 量子力学 生物 声学 细胞生物学
作者
Dongyu Liu,Bipeng Wang,Yifan Wu,Andrey S. Vasenko,Oleg V. Prezhdo
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (36): e2403497121-e2403497121 被引量:38
标识
DOI:10.1073/pnas.2403497121
摘要

Nonadiabatic molecular dynamics (NA-MD) is a powerful tool to model far-from-equilibrium processes, such as photochemical reactions and charge transport. NA-MD application to condensed phase has drawn tremendous attention recently for development of next-generation energy and optoelectronic materials. Studies of condensed matter allow one to employ efficient computational tools, such as density functional theory (DFT) and classical path approximation (CPA). Still, system size and simulation timescale are strongly limited by costly ab initio calculations of electronic energies, forces, and NA couplings. We resolve the limitations by developing a fully machine learning (ML) approach in which all the above properties are obtained using neural networks based on local descriptors. The ML models correlate the target properties for NA-MD, implemented with DFT and CPA, directly to the system structure. Trained on small systems, the neural networks are applied to large systems and long timescales, extending NA-MD capabilities by orders of magnitude. We demonstrate the approach with dependence of charge trapping and recombination on defect concentration in MoS 2 . Defects provide the main mechanism of charge losses, resulting in performance degradation. Charge trapping slows with decreasing defect concentration; however, recombination exhibits complex dependence, conditional on whether it occurs between free or trapped charges, and relative concentrations of carriers and defects. Delocalized shallow traps can become localized with increasing temperature, changing trapping and recombination behavior. Completely based on ML, the approach bridges the gap between theoretical models and realistic experimental conditions and enables NA-MD on thousand-atom systems and many nanoseconds.
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