КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-73-10261
НазваниеПоиск новых функциональных материалов с управляемыми свойствами с помощью современных методов компьютерного дизайна материалов и машинного обучения
Руководитель Круглов Иван Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов
Ключевые слова Дизайн материалов, эволюционный алгоритм, фазовая диаграмма, квантово-механические расчеты, межатомный потенциал, машинное обучение, динамическая теория среднего поля
Код ГРНТИ29.19.04
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одной из наиболее перспективных задач современной науки о материалах является разработка и совершенствование методов компьютерного моделирования. Применение вычислительных методов и методов машинного обучения позволяет существенно ускорить и упростить задачи поиска новых материалов с заданными свойствами, а также исследования свойств уже известных материалов. Особое место в данной области материаловедения занимает компьютерный дизайн материалов – метод поиска новых материалов по химическому составу с использованием современных методов атомистического и квантово-химического моделирования. С развитием компьютерного дизайна материалов стало возможно определять кристаллическую структуру материала, что является первым и необходимым шагом на пути к прогнозированию его свойств. Это позволяет оптимизировать структуру материала и его химический состав таким образом, чтобы была возможность управлять его свойствами. На сегодняшний день наиболее достоверным представителем данного класса методов является эволюционный алгоритм USPEX, который был разработан в 2006 году Артемом Огановым и Колином Глассом. Данный метод позволил предсказать существование неизвестных ранее высокотемпературных сверхпроводников (FeH5-6 [Kvashnin, Kruglov et al, JPCC, 2018], UH7-9 [Kruglov et al, Sci. Adv, 2018], H-S [Kruglov et al, PRB, 2017] и т.д.), новых сверхтвердых материалов (WB5 [Kvashnin et al, JPCL, 2018]), новых материалов для электроники (BS [Cherednichenko, Kruglov et al, JAP, 2018]) и других. В рамках проекта с помощью метода USPEX будет проведен поиск новых высокотемпературных сверхпроводников среди тройных гидридов лантан, иттрия, тория, магния и других элементов. Найденные новые соединения могут позволить найти путь к понижению давления синтеза сверхпроводников и увеличения их температуры перехода в сверхпроводящее состояние.
Метод USPEX, также как и другие методы компьютерного дизайна материалов, позволял проводить расчеты лишь при нулевой температуре: релаксация структур и расчет энергии проводятся с помощью теории функционала плотности, которая не позволяет проводить расчеты при конечных температурах с учетом текущего развития суперкомпьютерных технологий. Заявителем на грант ранее был разработан метод T-USPEX, позволяющий рассчитывать структуру материала при конечной температуре [Kruglov I., et al. "Crystal structure prediction at finite temperatures." arXiv preprint arXiv:2101.10153 (2021)]. В рамках данного проекта будет решаться задача расчета фазовых диаграмм материалов с помощью метода T-USPEX. Особенно важно такая задача стоит для легких элементов, для которых с помощью рентгеновской дифракции крайне сложно определить структуру под давлением в алмазной наковальне. К таким материалам, например, относятся водород и азот. Также есть элементы, которые обладают множеством стабильных и метастабильных фаз (к ним относятся, например, углерод и кремний). Метод T-USPEX позволит рассчитать области стабильности различных фаз описанных выше материалов, а также найти (при их наличии) новые стабильные соединения в широком диапазоне температур и давлений.
В рамках проекта планируется разработать универсальный инструмент, позволяющий рассчитывать фазовые диаграммы любых материалов, но для этого потребуется создание алгоритма для автоматического создания межатомных потенциалов на основе машинного обучения, способных работать в заданном диапазоне температур и давлений с точностью, близкой к квантово-механическими моделям. Такой алгоритм позволит создавать межатомные потенциалы, способные работать в широкой области фазового пространства, и проводить эволюционный поиск без непосредственного использования квантово-химических расчетов. Также у руководителя проекта уже опубликованы работы в соавторстве с различными группами экспериментаторов в области физики высоких давлений [Kruglov et al, Science Advances, 2018, Cherednichenko et al, JAP, 2018, Semenok at al, JPCL, 2020 и др.], что позволит с их помощью экспериментально валидировать полученные новые результаты.
В то же время, метод теории функционала плотности (который используется в эволюционных алгоритмах USPEX и T-USPEX) не способен достоверно воспроизводить магнитные свойства переходных металлов и актинидов. Описание их магнитных свойств и фазовых диаграмм требует учета сильных электронных корреляций. Возможным способом описания этих явлений является динамическая теория среднего поля (DMFT). В настоящее время применение указанной теории к описанию различных динамических и термодинамических свойств сильно коррелированных систем ограничено трудоемкостью решения примесной задачи. Проектом предполагается совершенствование решения примесной задачи DMFT для общего вида межэлектронного взаимодействия, а также получение новых результатов для фазовых диаграмм и магнитных свойств переходных металлов и актинидов. Данный подход позволит более эффективно исследовать фундаментальные свойства материалов (эффект Кондо, переход металл-диэлектрик в Моттовских изоляторах) для управления их свойствами.
Также в ходе проекта будут исследованы свойства дефектов в полупроводниках с помощью многочастичной теории возмущений (GW) и с использованием более точных функционалов для обмена и корреляции. Характеристики дефектов (собственных дефектов, примесей, радиационных дефектов), такие как энергия образования, положение уровней, сечение взаимодействия с носителями, необходимы для построения многомасштабных моделей, описывающих поведение полупроводниковых приборов в реальных условиях, например, под воздействием облучения. В настоящем проекте эти характеристики будут рассчитаны и исследованы с использованием комбинированного подхода: расчётов методом GW и с гибридными функционалами обменно-корреляционной энергии. Понимание электронных свойств точечных дефектов и их кластеров является существенным шагом на пути к инжинирингу зонной структуры с помощью направленного внедрения дефектов.
Таким образом, в рамках данного проекта, с помощью современных методов компьютерного дизайна материалов, будут исследованы такие функциональные материалы, как сверхпроводники, магнитные материалы, материалы с сильно коррелированными электронами, а также материалы для полупроводниковой электроники. Детальный теоретический анализ их электронных и фононных свойств позволит разработать подходы к управлению их свойствами в реальных приложениях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ