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Fast and interpretable classification of small X-ray diffraction datasets using data augmentation and deep neural networks

可解释性 维数之咒 人工智能 联营 计算机科学 人工神经网络 卷积神经网络 机器学习 模式识别(心理学) 薄膜 材料科学 纳米技术
作者
Felipe Oviedo,Zekun Ren,Shijing Sun,Charlie Settens,Zhe Liu,Noor Titan Putri Hartono,Savitha Ramasamy,Brian DeCost,Siyu Tian,Giuseppe Romano,A. Gilad Kusne,Tonio Buonassisi
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:11
标识
DOI:10.48550/arxiv.1811.08425
摘要

X-ray diffraction (XRD) data acquisition and analysis is among the most time-consuming steps in the development cycle of novel thin-film materials. We propose a machine-learning-enabled approach to predict crystallographic dimensionality and space group from a limited number of thin-film XRD patterns. We overcome the scarce-data problem intrinsic to novel materials development by coupling a supervised machine learning approach with a model agnostic, physics-informed data augmentation strategy using simulated data from the Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) and experimental data. As a test case, 115 thin-film metal halides spanning 3 dimensionalities and 7 space-groups are synthesized and classified. After testing various algorithms, we develop and implement an all convolutional neural network, with cross validated accuracies for dimensionality and space-group classification of 93% and 89%, respectively. We propose average class activation maps, computed from a global average pooling layer, to allow high model interpretability by human experimentalists, elucidating the root causes of misclassification. Finally, we systematically evaluate the maximum XRD pattern step size (data acquisition rate) before loss of predictive accuracy occurs, and determine it to be 0.16{\deg}, which enables an XRD pattern to be obtained and classified in 5.5 minutes or less.
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