Searching for iron nanoparticles with a general-purpose Gaussian approximation potential

纳米颗粒 密度泛函理论 材料科学 化学物理 二十面体对称 高斯分布 晶体结构 物理 统计物理学 纳米技术 结晶学 量子力学 化学
作者
Richard Jana,A. Miguel
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (24) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.245421
摘要

We present a general-purpose machine learning Gaussian approximation potential (GAP) for iron that is applicable to all bulk crystal structures found experimentally under diverse thermodynamic conditions, as well as surfaces and nanoparticles (NPs). By studying its phase diagram, we show that our GAP remains stable at extreme conditions, including those found in the Earth's core. The new GAP is particularly accurate for the description of NPs. We use it to identify new low-energy NPs, whose stability is verified by performing density functional theory calculations on the GAP structures. Many of these NPs are lower in energy than those previously available in the literature up to $N_\text{atoms}=100$. We further extend the convex hull of available stable structures to $N_\text{atoms}=200$. For these NPs, we study characteristic surface atomic motifs using data clustering and low-dimensional embedding techniques. With a few exceptions, e.g., at magic numbers $N_\text{atoms}=59$, $65$, $76$ and $78$, we find that iron tends to form irregularly shaped NPs without a dominant surface character or characteristic atomic motif, and no reminiscence of crystalline features. We hypothesize that the observed disorder stems from an intricate balance and competition between the stable bulk motif formation, with bcc structure, and the stable surface motif formation, with fcc structure. We expect these results to improve our understanding of the fundamental properties and structure of low-dimensional forms of iron, and to facilitate future work in the field of iron-based catalysis.

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