Robust recognition and exploratory analysis of crystal structures using machine learning
Creators: name: Leitherer, Andreas
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2022
Subjects: subject: Kondensierte Materie
subject: Machine learning
subject: Deep learning
subject: Physik
subject: Materialwissenschaft
subject: Condensed matter
subject: Physics
subject: Materials science
subject: 530 Physik

description: In den Materialwissenschaften läuten Künstliche-Intelligenz Methoden einen Paradigmenwechsel in Richtung Big-data zentrierter Forschung ein. Datenbanken mit Millionen von Einträgen, sowie hochauflösende Experimente, z.B. Elektronenmikroskopie, enthalten eine Fülle wachsender Information. Um diese ungenützten, wertvollen Daten für die Entdeckung verborgener Muster und Physik zu nutzen, müssen automatische analytische Methoden entwickelt werden. Die Kristallstruktur-Klassifizierung ist essentiell für die Charakterisierung eines Materials. Vorhandene Daten bieten vielfältige atomare Strukturen, enthalten jedoch oft Defekte und sind unvollständig. Eine geeignete Methode sollte diesbezüglich robust sein und gleichzeitig viele Systeme klassifizieren können, was für verfügbare Methoden nicht zutrifft. In dieser Arbeit entwickeln wir ARISE, eine Methode, die auf Bayesian deep learning basiert und mehr als 100 Strukturklassen robust und ohne festzulegende Schwellwerte klassifiziert. Die einfach erweiterbare Strukturauswahl ist breit gefächert und umfasst nicht nur Bulk-, sondern auch zwei- und ein-dimensionale Systeme. Für die lokale Untersuchung von großen, polykristallinen Systemen, führen wir die strided pattern matching Methode ein. Obwohl nur auf perfekte Strukturen trainiert, kann ARISE stark gestörte mono- und polykristalline Systeme synthetischen als auch experimentellen Ursprungs charakterisieren. Das Model basiert auf Bayesian deep learning und ist somit probabilistisch, was die systematische Berechnung von Unsicherheiten erlaubt, welche mit der Kristallordnung von metallischen Nanopartikeln in Elektronentomographie-Experimenten korrelieren. Die Anwendung von unüberwachtem Lernen auf interne Darstellungen des neuronalen Netzes enthüllt Korngrenzen und nicht ersichtliche Regionen, die über interpretierbare geometrische Eigenschaften verknüpft sind. Diese Arbeit ermöglicht die Analyse atomarer Strukturen mit starken Rauschquellen auf bisher nicht mögliche Weise.
description: In materials science, artificial-intelligence tools are driving a paradigm shift towards big data-centric research. Large computational databases with millions of entries and high-resolution experiments such as electron microscopy contain large and growing amount of information. To leverage this under-utilized - yet very valuable - data, automatic analytical methods need to be developed. The classification of the crystal structure of a material is essential for its characterization. The available data is structurally diverse but often defective and incomplete. A suitable method should therefore be robust with respect to sources of inaccuracy, while being able to treat multiple systems. Available methods do not fulfill both criteria at the same time. In this work, we introduce ARISE, a Bayesian-deep-learning based framework that can treat more than 100 structural classes in robust fashion, without any predefined threshold. The selection of structural classes, which can be easily extended on demand, encompasses a wide range of materials, in particular, not only bulk but also two- and one-dimensional systems. For the local study of large, polycrystalline samples, we extend ARISE by introducing so-called strided pattern matching. While being trained on ideal structures only, ARISE correctly characterizes strongly perturbed single- and polycrystalline systems, from both synthetic and experimental resources. The probabilistic nature of the Bayesian-deep-learning model allows to obtain principled uncertainty estimates which are found to be correlated with crystalline order of metallic nanoparticles in electron-tomography experiments. Applying unsupervised learning to the internal neural-network representations reveals grain boundaries and (unapparent) structural regions sharing easily interpretable geometrical properties. This work enables the hitherto hindered analysis of noisy atomic structural data.