Crystal structure prediction by combining graph network and optimization algorithm

晶体结构 算法 粒子群优化 晶体结构预测 计算机科学 Crystal(编程语言) 优化算法 水准点(测量) 图形 机器学习 人工智能 理论计算机科学 数学 化学 数学优化 结晶学 程序设计语言 地理 大地测量学
作者
Guanjian Cheng,Xin-Gao Gong,Wan‐Jian Yin
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1): 1492-1492 被引量:95
标识
DOI:10.1038/s41467-022-29241-4
摘要

Crystal structure prediction is a long-standing challenge in condensed matter and chemical science. Here we report a machine-learning approach for crystal structure prediction, in which a graph network (GN) is employed to establish a correlation model between the crystal structure and formation enthalpies at the given database, and an optimization algorithm (OA) is used to accelerate the search for crystal structure with lowest formation enthalpy. The framework of the utilized approach (a database + a GN model + an optimization algorithm) is flexible. We implemented two benchmark databases, i.e., the open quantum materials database (OQMD) and Matbench (MatB), and three OAs, i.e., random searching (RAS), particle-swarm optimization (PSO) and Bayesian optimization (BO), that can predict crystal structures at a given number of atoms in a periodic cell. The comparative studies show that the GN model trained on MatB combined with BO, i.e., GN(MatB)-BO, exhibit the best performance for predicting crystal structures of 29 typical compounds with a computational cost three orders of magnitude less than that required for conventional approaches screening structures through density functional theory calculation. The flexible framework in combination with a materials database, a graph network, and an optimization algorithm may open new avenues for data-driven crystal structural predictions.
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