搜索

x

留言板

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

downloadPDF
引用本文:
Citation:

黎威, 龙连春, 刘静毅, 杨洋

Classification of magnetic ground states and prediction of magnetic moments of inorganic magnetic materials based on machine learning

Li Wei, Long Lian-Chun, Liu Jing-Yi, Yang Yang
PDF
HTML
导出引用
  • 磁性材料是信息时代重要的基础材料, 不同的磁性基态是磁性材料广泛应用的前提, 其中铁磁基态是高性能磁性材料的关键要求. 本文针对材料项目数据库中的无机磁性材料数据, 采用机器学习技术实现无机磁性材料铁磁、反铁磁、亚铁磁和顺磁基态的分类以及无机铁磁性材料磁矩的预测. 提取了材料的元素和结构属性特征, 通过两步式特征选择方法分别为磁性基态分类和磁矩预测筛选了20个材料特征, 发现材料特征中的电负性、原子磁矩和原子外围轨道未充满电子数对两种磁性性能具有重要贡献. 基于机器学习的随机森林算法, 构建了磁性基态分类模型和磁矩预测模型, 采用10折交叉验证的方法对模型进行定量评估, 结果表明所构建的模型具有足够的精度和泛化能力. 在测试检验中, 磁性基态分类模型的准确率为85.23%, 精确率为85.18%, 召回率为85.04%, F1分数为85.24%; 磁矩预测模型的拟合优度为91.58%, 平均绝对误差为0.098 μ B/atom. 本研究为无机铁磁性材料的高通量分类筛选与磁矩预测提供了新的方法和选择, 可为新型无机磁性材料的设计研发提供参考.
    Magnetic materials are important basic materials in the information age. Different magnetic ground states are the prerequisite for the wide application of magnetic materials, among which the ferromagnetic ground state is a key requirement for future high-performance magnetic materials. In this paper, machine learning is used to study the classification of ferromagnetic, antiferromagnetic, ferrimagnetic and paramagnetic ground states of inorganic magnetic materials and the prediction of magnetic moments of inorganic ferromagnetic materials. We obtain 98888 inorganic magnetic materials data from the Materials Project database, containing material ids, chemical formulae, CIF files, magnetic ground states and magnetic moments, and extract 582 elemental and structural features for the inorganic magnetic materials by using Matminer. We design a two-step feature selection method. In the first step, RFECV is used to evaluate material features one by one to remove redundant features without degrading the model accuracy. In the second step, we rank the material features to further refine and select the most important material features for the model, and 20 material features are selected for the classification of magnetic ground states and the prediction of magnetic moments, respectively. Among the selected material features, it is found that the electronegativity, the atomic own magnetic moment and the number of unfilled electrons in the atomic peripheral orbitals all make important contributions to the classification of magnetic ground states and the prediction of magnetic moments. We build a magnetic ground state classification model and a magnetic moment prediction model by using the random forest, and quantitatively evaluate the machine learning models by using the 10-fold cross-validation approach, and the results show that the constructed machine learning models has sufficient accuracy and generalization capability. In the test set, the magnetic ground state classification model has an accuracy of 85.23%, a precision of 85.18%, a recall of 85.04%, and an F1 score of 85.24%; the magnetic moment prediction model has a goodness-of-fit of 91.58% and an average absolute error of 0.098 μ Bper atom. This study provides a new method and choice for high-throughput classification and screening of magnetic ground states of inorganic magnetic materials and predicting the magnetic moment of ferromagnetic materials.
        通信作者:龙连春,longlc@bjut.edu.cn
      • 基金项目:国家重点研发计划(批准号: 2018YFB0703500)资助的课题
        Corresponding author:Long Lian-Chun,longlc@bjut.edu.cn
      • Funds:Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2018YFB0703500)
      [1]

      [2]

      [3]

      [4]

      [5]

      [6]

      [7]

      [8]

      [9]

      [10]

      [11]

      [12]

      [13]

      [14]

      [15]

      [16]

      [17]

      [18]

      [19]

      [20]

      [21]

      [22]

      [23]

      [24]

      [25]

      [26]

      [27]

    • 特征类型 特征
      元素 Mode Electronegativity* Mean NdUnfilled* Max MeltingT
      Min Electronegativity Avg_dev NdUnfilled* Mode Number
      Range NUnfilled Max NdUnfilled Max Number
      Avg_dev NUnfilled Mean GSmagmom* Min NValence
      Max NUnfilled Range GSmagmom Range NfValence
      Mode NfUnfilled Avg_dev GSmagmom* Avg_dev NfValence
      Mean NfUnfilled Max GSmagmom Avg_dev NdValence
      Range NfUnfilled* Max AtomicWeight Mode MendeleevNumber
      Avg_dev NfUnfilled Mode AtomicWeight Avg_dev MendeleevNumber
      Max NfUnfilled Mean GSvolume_pa Min MendeleevNumber
      Range NdUnfilled Range MeltingT
      结构 Vpa Sine coulomb matrix 0
      * 该特征同时用于磁性基态分类和磁矩预测.
      下载: 导出CSV

      模型 超参数
      RFC n= 400, features = 'log2', samples_split = 2, samples_leaf = 1
      RFR n= 300, features = 'auto', samples_split = 2, samples_leaf = 1
      下载: 导出CSV

      评价指标(平均值) 本研究模型 文献[5] 文献[22]
      Accuracy/% 85.23 81.10
      Precision/% 85.18 84.29
      Recall/% 85.04 85.51
      F1 score/% 85.24 85.08 85.00
      下载: 导出CSV

      评价指标(平均值) 本研究模型 文献[23]
      R2/% 91.58
      MAE/(μB·atom-1) 0.098 0.119
      下载: 导出CSV

      特征 物理含义
      1 Mode Electronegativity* 材料组成元素电负性的众数
      2 Min Electronegativity 材料组成元素电负性的最小值
      3 Range NUnfilled 材料组成元素外围未充满电子数的范围
      4 Avg_dev NUnfilled 材料组成元素外围未充满电子数的平均偏差
      5 Max NUnfilled 材料组成元素外围未充满电子数的最大值
      6 Mode NfUnfilled 材料组成元素f轨道未充满电子数的众数
      7 Mean NfUnfilled 材料组成元素f轨道未充满电子数的平均值
      8 Range NfUnfilled* 材料组成元素f轨道未充满电子数的范围
      9 Avg_dev NfUnfilled 材料组成元素f轨道未充满电子数的平均偏差
      10 Max NfUnfilled 材料组成元素f轨道未充满电子数的最大值
      11 Range NdUnfilled 材料组成元素d轨道未充满电子数的范围
      12 Mean NdUnfilled* 材料组成元素d轨道未充满电子数的平均值
      13 Avg_dev NdUnfilled* 材料组成元素d轨道未充满电子数的平均偏差
      14 Max NdUnfilled 材料组成元素d轨道未充满电子数的最大值
      15 Mean GSmagmom* 材料组成元素磁矩的平均值
      16 Range GSmagmom 材料组成元素磁矩的范围
      17 Avg_dev GSmagmom* 材料组成元素磁矩的平均偏差
      18 Max GSmagmom 材料组成元素磁矩的最大值
      19 Max AtomicWeight 材料组成元素重量的最大值
      20 Mode AtomicWeight 材料组成元素重量的众数
      21 Mean GSvolume_pa 材料组成元素体积的平均值
      22 Range MeltingT 材料组成元素熔点的范围
      23 Max MeltingT 材料组成元素熔点的最大值
      24 Mode Number 材料组成元素原子序数的众数
      25 Max Number 材料组成元素原子序数的最大值
      26 Min NValence 材料组成元素价电子的最小值
      27 Range NfValence 材料组成元素f轨道价电子的范围
      28 Avg_dev NfValence 材料组成元素f轨道价电子的平均偏差
      29 Avg_dev NdValence 材料组成元素d轨道价电子的平均偏差
      30 Mode MendeleevNumber 材料组成元素门捷列夫数的众数
      31 Avg_dev MendeleevNumber 材料组成元素门捷列夫数的平均偏差
      32 Min MendeleevNumber 材料组成元素门捷列夫数的最小值
      33 Vpa 材料的晶胞体积
      34 Sine coulomb matrix 0 正弦库仑矩阵的第0个特征值
      * 该特征同时用于磁性基态分类和磁矩预测.
      下载: 导出CSV
    • [1]

      [2]

      [3]

      [4]

      [5]

      [6]

      [7]

      [8]

      [9]

      [10]

      [11]

      [12]

      [13]

      [14]

      [15]

      [16]

      [17]

      [18]

      [19]

      [20]

      [21]

      [22]

      [23]

      [24]

      [25]

      [26]

      [27]

    • [1] 宋睿, 刘雪梅, 王海滨, 吕皓, 宋晓艳.机器学习辅助的WC-Co硬质合金硬度预测. 必威体育下载 , 2024, 73(12): 126201.doi:10.7498/aps.73.20240284
      [2] 张旭, 丁进敏, 侯晨阳, 赵一鸣, 刘鸿维, 梁生.基于机器学习的激光匀光整形方法. 必威体育下载 , 2024, 73(16): 164205.doi:10.7498/aps.73.20240747
      [3] 张嘉晖.蛋白质计算中的机器学习. 必威体育下载 , 2024, 73(6): 069301.doi:10.7498/aps.73.20231618
      [4] 张逸凡, 任卫, 王伟丽, 丁书剑, 李楠, 常亮, 周倩.机器学习结合固溶强化模型预测高熵合金硬度. 必威体育下载 , 2023, 72(18): 180701.doi:10.7498/aps.72.20230646
      [5] 郭唯琛, 艾保全, 贺亮.机器学习回归不确定性揭示自驱动活性粒子的群集相变. 必威体育下载 , 2023, 72(20): 200701.doi:10.7498/aps.72.20230896
      [6] 管星悦, 黄恒焱, 彭华祺, 刘彦航, 李文飞, 王炜.生物分子模拟中的机器学习方法. 必威体育下载 , 2023, 72(24): 248708.doi:10.7498/aps.72.20231624
      [7] 刘烨, 牛赫然, 李兵兵, 马欣华, 崔树旺.机器学习在宇宙线粒子鉴别中的应用. 必威体育下载 , 2023, 72(14): 140202.doi:10.7498/aps.72.20230334
      [8] 艾飞, 刘志兵, 张远涛.结合机器学习的大气压介质阻挡放电数值模拟研究. 必威体育下载 , 2022, 71(24): 245201.doi:10.7498/aps.71.20221555
      [9] 康俊锋, 冯松江, 邹倩, 李艳杰, 丁瑞强, 钟权加.基于机器学习的非线性局部Lyapunov向量集合预报订正. 必威体育下载 , 2022, 71(8): 080503.doi:10.7498/aps.71.20212260
      [10] 张嘉伟, 姚鸿博, 张远征, 蒋伟博, 吴永辉, 张亚菊, 敖天勇, 郑海务.通过机器学习实现基于摩擦纳米发电机的自驱动智能传感及其应用. 必威体育下载 , 2022, 71(7): 078702.doi:10.7498/aps.71.20211632
      [11] 王思远, 梁添寿, 时朋朋.金属磁记忆应变诱导磁性变化的原子尺度作用机理. 必威体育下载 , 2022, 71(19): 197502.doi:10.7498/aps.71.20220745
      [12] 林键, 叶梦, 朱家纬, 李晓鹏.机器学习辅助绝热量子算法设计. 必威体育下载 , 2021, 70(14): 140306.doi:10.7498/aps.70.20210831
      [13] 陈江芷, 杨晨温, 任捷.基于波动与扩散物理系统的机器学习. 必威体育下载 , 2021, 70(14): 144204.doi:10.7498/aps.70.20210879
      [14] 杨自欣, 高章然, 孙晓帆, 蔡宏灵, 张凤鸣, 吴小山.铅基钙钛矿铁电晶体高临界转变温度的机器学习研究. 必威体育下载 , 2019, 68(21): 210502.doi:10.7498/aps.68.20190942
      [15] 陈传文, 项阳.正交各向异性双层交换弹簧薄膜的磁矩分布. 必威体育下载 , 2016, 65(12): 127502.doi:10.7498/aps.65.127502
      [16] 潘凤春, 林雪玲, 陈焕铭.阳离子空位磁矩起因探讨. 必威体育下载 , 2015, 64(17): 176101.doi:10.7498/aps.64.176101
      [17] 李喜波, 罗江山, 郭云东, 吴卫东, 王红艳, 唐永建.密度泛函理论研究Scn,Yn和Lan(n=2—10)团簇的稳定性、电子性质和磁性. 必威体育下载 , 2008, 57(8): 4857-4865.doi:10.7498/aps.57.4857
      [18] 黄 整, 陈 波, 麻焕锋, 张秀兰, 高国强, 强伟荣, 孙光爱.过渡族金属替代元素M对YFe11M系统的磁性质的影响. 必威体育下载 , 2008, 57(3): 1867-1871.doi:10.7498/aps.57.1867
      [19] 赵文杰, 杨 致, 闫玉丽, 雷雪玲, 葛桂贤, 王清林, 罗有华.密度泛函理论计算GenFe(n=1—8)团簇的基态结构及其磁性. 必威体育下载 , 2007, 56(5): 2596-2602.doi:10.7498/aps.56.2596
      [20] 赵文杰, 王清林, 任凤竹, 罗有华.第一性原理计算ZrnFe(n=2—13)团簇的基态结构及其磁性. 必威体育下载 , 2007, 56(10): 5746-5753.doi:10.7498/aps.56.5746
    计量
    • 文章访问数:7403
    • PDF下载量:269
    • 被引次数:0
    出版历程
    • 收稿日期:2021-09-01
    • 修回日期:2021-11-22
    • 上网日期:2022-01-26
    • 刊出日期:2022-03-20

      返回文章
      返回
        Baidu
        map