Nghiên cứu tính chất nhiệt động lực học của hệ vật liệu hai chiều Ge/MoS2 thông qua lý thuyết phiếm hàm mật độ và phương pháp học sâu

Nguyễn Hữu Phúc1, Dương Trọng Nhân2,3, Nguyễn Duy Khanh2,3, Đặng Minh Triết 4,
1 Trường Sư phạm, Đại học Cần Thơ, Việt Nam
2 Phòng thí nghiệm Vật lý tính toán, Viện Khoa học tính toán và Trí tuệ nhân tạo, Trường Đại học Văn Lang, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
3 Khoa Kỹ thuật Cơ – Điện và Máy tính, Trường Công nghệ, Trường Đại học Văn Lang, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
4 Trường Sư phạm, Trường Đại học Cần Thơ, Việt Nam

Nội dung chính của bài viết

Tóm tắt

Nghiên cứu này trình bày việc phát triển và ứng dụng các thế tương tác nguyên tử học máy  dựa trên mạng neuron cho việc mô phỏng các vật liệu hai chiều: Germanene đơn lớp, MoS2 đơn lớp và dị cấu trúc Ge/MoS2. Dữ liệu mô phỏng từ lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) được sử dụng để huấn luyện các mô hình học máy thông qua bộ công cụ DeePMD-kit nhằm dự đoán năng lượng hình thành và lực nguyên tử. Kết quả cho thấy phương pháp học máy có khả năng dự đoán chính xác giản đồ năng lượng toàn phần của hệ, ngay cả khi dữ liệu huấn luyện bị giới hạn. Tuy nhiên, các dự đoán về lực nguyên tử tuy đạt độ chính xác tương đối nhất là trong các tính toán trạng thái phonon của hệ. Các cấu hình mạng neuron tối ưu đã được xác định cho từng hệ vật liệu, giúp cải thiện hiệu suất học máy. Kết quả nghiên cứu này khẳng định tiềm năng của học máy, đặc biệt là các mô hình học sâu, trong việc tăng tốc mô hình hóa nhiệt động học của các dị cấu trúc 2D với chi phí tính toán thấp hơn đáng kể so với phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ. Ngoài ra, nghiên cứu cũng nhấn mạnh sự cần thiết của các tập dữ liệu đa dạng hơn nhằm nâng cao độ tin cậy trong dự đoán lực cho các mô phỏng động lực học.

Chi tiết bài viết

Tài liệu tham khảo

Badini, S., Regondi, S., & Pugliese, R. (2023). Unleashing the Power of Artificial Intelligence in Materials Design. Materials, 16(17), 5927. https://doi.org/10.3390/ma16175927
Behler, J., & Parrinello, M. (2007). Generalized neural-network representation of high-dimensional potential-energy surfaces. Physical Review Letters, 98(14), 146401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.146401
Coello-Fiallos, D., Tene, T., Guayllas, J. L., Haro, D., Haro, A., & Vacacela Gomez, C. (2017). DFT comparison of structural and electronic properties of graphene and germanene: monolayer and bilayer systems. Materials Today: Proceedings, 4(7), 6835–6841. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.07.011
Dang, M. T., Long, N. T., Thi Phung, V. B., Trang, N. T. B., Nguyen, T. A., Tran, T. N., Duy, N. V. A., Van, N. T., Nghia, N. Van, & Schall, P. (2025). Resolving adsorption mechanism of sodium polysulfides on Tim+1CmO2 MXenes for application in sodium-sulfur batteries: A first-principles study. Applied Surface Science, 687, 162210. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2024.162210
Jiang, J. W., Park, H. S., & Rabczuk, T. (2013). Molecular dynamics simulations of single-layer molybdenum disulphide (MoS2): Stillinger-Weber parametrization, mechanical properties, and thermal conductivity. Journal of Applied Physics, 114(6). https://doi.org/10.1063/1.4818414/372441
Merchant, A., Batzner, S., Schoenholz, S. S., Aykol, M., Cheon, G., & Cubuk, E. D. (2023). Scaling deep learning for materials discovery. Nature, 624(7990), 80–85. https://doi.org/10.1038/S41586-023-06735-9
Pang, Q., Xin, H., Gao, D. li, Zhao, J., Chai, R. peng, & Song, Y. ling. (2021). Strain effect on the electronic and optical properties of Germanene/MoS2 heterobilayer. Materials Today Communications, 26, 101845. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101845
Peng, B., Zhang, H., Shao, H., Xu, Y., Ni, G., Zhang, R., & Zhu, H. (2016). Phonon transport properties of two-dimensional group-IV materials from ab initio calculations. Physical Review B, 94(24), 245420. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.94.245420/FIGURES/9/THUMBNAIL
Rai, D. P., Vu, T. V., Laref, A., Joshi, H., & Patra, P. K. (2020). Promising optoelectronic response of 2D monolayer MoS2: A first principles study. Chemical Physics, 538, 110824. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2020.110824
Saxena, D., & Cao, J. (2021). Generative Adversarial Networks (GANs). ACM Computing Surveys, 54(3). https://doi.org/10.1145/3446374
Szymanski, N. J., Rendy, B., Fei, Y., Kumar, R. E., He, T., Milsted, D., McDermott, M. J., Gallant, M., Cubuk, E. D., Merchant, A., Kim, H., Jain, A., Bartel, C. J., Persson, K., Zeng, Y., & Ceder, G. (2023). An autonomous laboratory for the accelerated synthesis of novel materials. Nature, 624(7990), 86–91. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06734-w
Thompson, A. P., Aktulga, H. M., Berger, R., Bolintineanu, D. S., Brown, W. M., Crozier, P. S., in ’t Veld, P. J., Kohlmeyer, A., Moore, S. G., Nguyen, T. D., Shan, R., Stevens, M. J., Tranchida, J., Trott, C., & Plimpton, S. J. (2022). LAMMPS - a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. Computer Physics Communications, 271, 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
Togo, A., Chaput, L., Tadano, T., & Tanaka, I. (2023). Implementation strategies in phonopy and phono3py. Journal of Physics: Condensed Matter, 35(35), 353001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/acd831
Tran, T. N., Dang, M. T., Tran, Q. H., Luong, T. T., & Dinh, V. A. (2022). Band valley modification under strain in monolayer WSe2. AIP Advances, 12(11). https://doi.org/10.1063/5.0127204/2819777
van der Laan, M., Heemskerk, E., Kienhuis, F., Diepeveen, N., Poonia, D., Kinge, S., Dang, M. T., Dinh, V. A., Siebbeles, L. D. A., Isaeva, A., van de Groep, J., & Schall, P. (2023). Stacking-Order-Dependent Excitonic Properties Reveal Interlayer Interactions in Bulk ReS2. ACS Photonics, 10(9), 3115–3123. https://doi.org/10.1021/ACSPHOTONICS.3C00477/ASSET/IMAGES/LARGE/PH3C00477_0005.JPEG
Wang, Q. H., Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, J. N., & Strano, M. S. (2012). Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology, 7(11), 699–712. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193
Zeng, J., Zhang, D., Lu, D., Mo, P., Li, Z., Chen, Y., Rynik, M., Huang, L., Li, Z., Shi, S., Wang, Y., Ye, H., Tuo, P., Yang, J., Ding, Y., Li, Y., Tisi, D., Zeng, Q., Bao, H., … Wang, H. (2023). DeePMD-kit v2: A software package for deep potential models. Journal of Chemical Physics, 159(5), 54801. https://doi.org/10.1063/5.0155600
Zhang, L., Han, J., Wang, H., Car, R., & Weinan, E. (2018). Deep Potential Molecular Dynamics: A Scalable Model with the Accuracy of Quantum Mechanics. Physical Review Letters, 120(14), 143001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.143001
Zhang, L., Han, J., Wang, H., Saidi, W., Car, R., & E, W. (2018). End-to-end Symmetry Preserving Inter-atomic Potential Energy Model for Finite and Extended Systems. Advances in Neural Information Processing Systems, 31.
Zhang, Z. (2023). Automated Graph Neural Networks Accelerate the Screening of Optoelectronic Properties of Metal-Organic Frameworks. Journal of Physical Chemistry Letters, 14(5), 1239–1245. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c00187