Machine Learning Enhanced DFTB Method for Periodic Systems: Learning from Electronic Density of States

计算机科学 穆利肯种群分析 一般化 哈密顿量(控制论) 紧密结合 算法 机器学习 人工智能 密度泛函理论 人口 电子结构 数学优化 计算化学 数学 化学 数学分析 人口学 社会学
作者
Wenbo Sun,Guozheng Fan,Tammo van der Heide,Adam McSloy,Thomas Frauenheim,Bálint Aradi
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:19 (13): 3877-3888 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.3c00152
摘要

Density functional tight binding (DFTB) is an approximate density functional based quantum chemical simulation method with low computational cost. In order to increase its accuracy, we have introduced a machine learning algorithm to optimize several parameters of the DFTB method, concentrating on solids with defects. The backpropagation algorithm was used to reduce the error between DFTB and DFT results with respect to the training data set and to obtain adjusted DFTB Hamiltonian and overlap matrix elements. Afterward, the generalization capability of the trained model was tested for geometries not being part of the training set. In the current work, we have focused on defective periodic silicon and silicon carbide systems as target materials and the density of states (DOS) as target property to demonstrate the feasibility of our approach. The trained model was able to reduce the differences between the DFTB and DFT DOS significantly, while other derived properties (for example, Mulliken population distribution, projected DOS) remained physically sound. Also, the transferability of the obtained model could be verified. Our method allows to carry out relatively fast simulations with high accuracy and only moderate training efforts, and represents a good compromise for cases, where long-range effects make direct machine learning predictions difficult.
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