High-throughput computational discovery of 3218 ultralow thermal conductivity and dynamically stable materials by dual machine learning models

文献情報

出版日 2023-10-31
DOI 10.1039/D3TA04874H
インパクトファクター 12.732
著者

Joshua Ojih, Chen Shen, Alejandro Rodriguez, Hongbin Zhang, Kamal Choudhary, Ming Hu


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要旨

Materials with ultralow lattice thermal conductivity (LTC) continue to be of great interest for technologically important applications such as thermal insulators and thermoelectrics. We report an efficient workflow combining high-throughput density functional theory (DFT) computing and two different types of machine learning (ML) models for fast and accurately screening ultralow LTC from large-scale inorganic crystals. Firstly, we train seven classification ML models on 8077 data obtained from high-throughput full DFT calculations to classify 50 574 structures into positive and negative dispersions, among which 22 899 structures are dynamically stable. Secondly, with 4041 high quality LTC data, we train three graph neural network prediction models to predict LTC. The LTC ML models are verified on 359 randomly selected structures. Our ML model successfully predicted 90% of 359 structures to possess ultralow LTC (less than 1 W m−1 K−1). An additional 3218 structures with ultralow LTC are also predicted and provided. With further analysis of the correlation between LTC and material features, we identify two excellent material descriptors, that can be evaluated with low computational cost for efficient screening of ultralow LTC: the large P3 parameter which represents a large number of three-phonon scattering channels and the large thermal mean squared displacement which reflects the soft phonon modes in the lattice usually resulting in strong phonon anharmonicity. Our workflow integrating dual ML models offers a new route to accelerate the discovery of novel dynamically stable materials with a high success rate for predicting effective lattice thermal conductivity.

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掲載誌

Journal of Materials Chemistry A

Journal of Materials Chemistry A
CiteScore: 19.5
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年間論文数: 2211

Journal of Materials Chemistry A, B & C cover high quality studies across all fields of materials chemistry. The journals focus on those theoretical or experimental studies that report new understanding, applications, properties and synthesis of materials. The journals have a strong history of publishing quality reports of interest to interdisciplinary communities and providing an efficient and rigorous service through peer review and publication. The journals are led by an international team of Editors-in-Chief and Associate Editors who are all active researchers in their fields. Journal of Materials Chemistry A, B & C are separated by the intended application of the material studied. Broadly, applications in energy and sustainability are of interest to Journal of Materials Chemistry A, applications in biology and medicine are of interest to Journal of Materials Chemistry B, and applications in optical, magnetic and electronic devices are of interest to Journal of Materials Chemistry C. More than one Journal of Materials Chemistry journal may be suitable for certain fields and researchers are encouraged to submit their paper to the journal that they feel best fits for their particular article. Example topic areas within the scope of Journal of Materials Chemistry A are listed below. This list is neither exhaustive nor exclusive. Artificial photosynthesis Batteries Carbon dioxide conversion Catalysis Fuel cells Gas capture/separation/storage Green/sustainable materials Hydrogen generation Hydrogen storage Photocatalysis Photovoltaics Self-cleaning materials Self-healing materials Sensors Supercapacitors Thermoelectrics Water splitting Water treatment

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