Effective optimization of atomic decoration in giant and superstructurally ordered crystals with machine learning

原子单位 相变 统计物理学 模拟退火 材料科学 占用率 化学物理 算法 计算机科学 化学 物理 凝聚态物理 生态学 量子力学 生物
作者
Frank Cerasoli,Davide Donadio
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (4) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0213132
摘要

Crystals with complicated geometry are often observed with mixed chemical occupancy among Wyckoff sites, presenting a unique challenge for accurate atomic modeling. Similar systems possessing exact occupancy on all the sites can exhibit superstructural ordering, dramatically inflating the unit cell size. In this work, a crystal graph convolutional neural network (CGCNN) is used to predict optimal atomic decorations on fixed crystalline geometries. This is achieved with a site permutation search (SPS) optimization algorithm based on Monte Carlo moves combined with simulated annealing and basin-hopping techniques. Our approach relies on the evidence that, for a given chemical composition, a CGCNN estimates the correct energetic ordering of different atomic decorations, as predicted by electronic structure calculations. This provides a suitable energy landscape that can be optimized according to site occupation, allowing the prediction of chemical decoration in crystals exhibiting mixed or disordered occupancy, or superstructural ordering. Verification of the procedure is carried out on several known compounds, including the superstructurally ordered clathrate compound Rb8Ga27Sb16 and vacancy-ordered perovskite Cs2SnI6, neither of which was previously seen during the neural network training. In addition, the critical temperature of an order–disorder phase transition in solid solution CuZn is probed with our SPS routines by sampling site configuration trajectories in the canonical ensemble. This strategy provides an accurate method for determining favorable decoration in complex crystals and analyzing site occupation at unprecedented speed and scale.

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