Development of a physically-informed neural network interatomic potential for tantalum

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作者
Yi-Shen Lin,G. P. Purja Pun,Y. Mishin
出处
期刊:Computational Materials Science [Elsevier]
卷期号:205: 111180-111180 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.commatsci.2021.111180
摘要

Large-scale atomistic simulations of materials heavily rely on interatomic potentials, which predict the system energy and atomic forces. One of the recent developments in the field is constructing interatomic potentials by machine-learning (ML) methods. ML potentials predict the energy and forces by numerical interpolation using a large reference database generated by quantum-mechanical calculations. While high accuracy of interpolation can be achieved, extrapolation to unknown atomic environments is unpredictable. The recently proposed physically-informed neural network (PINN) model improves the transferability by combining a neural network regression with a physics-based bond-order interatomic potential. Here, we demonstrate that general-purpose PINN potentials can be developed for body-centered cubic (BCC) metals. The proposed PINN potential for tantalum reproduces the reference energies within 2.8 meV/atom. It accurately predicts a broad spectrum of physical properties of Ta, including (but not limited to) lattice dynamics, thermal expansion, energies of point and extended defects, the dislocation core structure and the Peierls barrier, the melting temperature, the structure of liquid Ta, and the liquid surface tension. The potential enables large-scale simulations of physical and mechanical behavior of Ta with nearly first-principles accuracy while being orders of magnitude faster. This approach can be readily extended to other BCC metals. • The PINN method integrates a physics-based interaction model with a neural-network. • PINN improves transferability of machine-learning potentials with DFT accuracy. • We present a PINN potential for Ta as a representative transition BCC metal. • The potential predicts a broad range of Ta properties and is faster than DFT.
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