First-principles calculations informing machine learning framework and visualization system for rapid and generalized gas response prediction in black phosphorus sensors

黑磷 可视化 机器学习 人工智能 计算机科学 磷 工艺工程 黑匣子 数据挖掘 极限学习机 环境科学 结构材料 数据可视化 工程类 生物系统
作者
Mingyuan Wang,Yaqi Zhang,Bowen Xiong,Ke Wang,Xiangzhao Zhang,Jian Yang,Lin Xu,Guanjun Qiao,Guiwu Liu
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (3): 9221243-9221243 被引量:8
标识
DOI:10.26599/jac.2026.9221243
摘要

Gas sensors are vital in practical applications, yet the efficient screening of sensing materials remains a formidable challenge. Conventional trial-and-error approaches are costly, single descriptors fail to capture complex interactions, and multi-parameter combinations introduce nonlinearities. To overcome these limitations, we propose a synergistic strategy that integrates first-principles calculations with machine learning (ML) for rapid prediction of gas sensitivity. Using black phosphorus (BP) as a model system, we evaluated its responsiveness to 21 gases by analyzing adsorption-induced electronic and structural changes. Key descriptors extracted from these calculations were used to train six ML models. The extra trees (ET) model demonstrated exceptional robustness, achieving 96% accuracy with minimal deviation in five-fold cross-validation and top-tier performance in F1-score evaluation. Furthermore, analyses of feature importance and SHapley Additive exPlanations (SHAP) identified adsorption energy, p-orbital center, valence band maximum, conduction band minimum, and Fermi level as the dominant descriptors. We also developed a lightweight, Python-based prediction and visualization system. By inputting only these five key features obtained from first-principles calculations, this tool enables real-time assessment of BP's response to various gas molecules. This integrated approach showcases significant potential for predicting material sensing properties and offers valuable theoretical guidance for gas sensor design.
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