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Npj Comput. Mater.: 拓扑图形序参量

Npj Comput. Mater.: 拓扑图形序参量

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原子结构-性质关系构成了现代材料科学的基础,是新材料发现和优化现有系统的重要基础,准确描述这个关系对于晶体结构的预测、复杂缺陷网络的动态演化以及原子相互作用势的构建等至关重要,其中的关键是结合序参量或类似的数学量,用高效且具有物理意义的方法去表征材料中的原子排列。然而,这些表征通常不是那么简单的,特别是针对基本对称性难以确定的原子无序系统。近几十年来,有许多数学、物理方法被用于复杂原子结构的表征,但都存在一定的问题。


来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室物理和生命科学部的James Chapman等人,提出了一种标量图形序参量方法),可以显式地捕获到有关底层原子图形的全局信息,例如图的形状和连通性,并通过序参量对原子构型中存在的局部配位环境进行独特的分类。作者对四种材料体系进行了深入分析,包括300 GPa范围内液态锂的构型,室温和高温条件下各种凝聚相的碳、碳纳米管和巴基球,非零温度下不同的铝构型(包括表面结构、压缩与膨胀的晶格体系、点缺陷、晶界、液相、纳米颗粒),以及从头算分子动力学产生的11种氧化铌晶相等,验证了算法的普适性与准确性。与现有方法相比,该方法不仅可以降低算法函数形式的复杂性,还可以对结构构型与序参量之间的关系提供直观的理解。因此,该工作为离子在扩散过程中的路径、晶粒与空隙的形态和表面特征形状等复杂体系的结构表征提供了一种强有力的工具。

该文近期发表于npj Computational Materials 8:37 (2022)英文标题与摘要如下,点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。


Efficient and universal characterization of atomic structures through a topological graph order parameter 

James Chapman, Nir Goldman & Brandon C. Wood

A graph-based order parameter, based on the topology of the graph itself, is introduced for the characterization of atomistic structures. The order parameter is universal to any material/chemical system and is transferable to all structural geometries. Four sets of data are used to validate both the generalizability and accuracy of the algorithm: (1) liquid lithium configurations spanning up to 300 GPa, (2) condensed phases of carbon along with nanotubes and buckyballs at ambient and high temperature, (3) a diverse set of aluminum configurations including surfaces, compressed and expanded lattices, point defects, grain boundaries, liquids, nanoparticles, all at nonzero temperatures, and (4) eleven niobium oxide crystal phases generated with ab initio molecular dynamics. We compare our proposed method to existing, state-of-the-art methods for the cases of aluminum and niobium oxide. Our order parameter uniquely classifies every configuration and outperforms all studied existing methods, opening the door for its use in a multitude of complex application spaces that can require fine structure-level characterization of atomistic graphs.


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