第一作者：Xinyu Chen

通訊作者：王金蘭，周跫樺

通訊單位：東南大學(xué)

王金蘭?，教授，博士生導(dǎo)師。東南大學(xué)物理學(xué)院首席教授、博士生導(dǎo)師、東南大學(xué)特聘教授、國家杰出青年、國務(wù)院特殊津貼獲得者。2006年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃，2013年獲江蘇省杰出青年基金、2015年獲國家杰出青年科學(xué)基金、2016年獲江蘇省“333”領(lǐng)軍人才支持計劃，2018年入選國務(wù)院特殊津貼專家，2021年入選英國皇家化學(xué)會會士。SCI論文總計200余篇，總引用已達(dá)16000余次，H-index 65，連續(xù)八年入選Elsevier中國高被引學(xué)者。（信息來源：https://physics.seu.edu.cn/jlwang/leader/list.psp）

周跫樺，東南大學(xué)物理學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，2017年6月博士畢業(yè)于東南大學(xué)物理學(xué)院，主要從事基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的材料篩選、二維材料的模擬與設(shè)計方面的研究工作。發(fā)表SCI論文40余篇，其中以第一/共一/通訊作者身份發(fā)表SCI論文20余篇。

（信息來源：

https://physics.seu.edu.cn/_s318/2022/0920/c29635a420478/page.psp）

論文速覽

數(shù)據(jù)稀缺是利用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）開發(fā)新材料的關(guān)鍵瓶頸之一。遷移學(xué)習(xí)能夠利用現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)輔助小數(shù)據(jù)集上的屬性預(yù)測，但前提是大小數(shù)據(jù)集之間必須存在強(qiáng)相關(guān)性。為了擴(kuò)展其在不同屬性和材料場景下的適用性，本研究開發(fā)了一種結(jié)合對抗性遷移學(xué)習(xí)和專家知識的混合框架，可以直接利用從塊體材料有效質(zhì)量學(xué)到的知識預(yù)測二維（2D）材料的載流子遷移率。

通過對抗訓(xùn)練確保只提取體材料和2D材料之間的共同知識，同時融入專家知識以進(jìn)一步提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和泛化能力。僅通過晶體結(jié)構(gòu)，就以超過90%的準(zhǔn)確率預(yù)測了2D載流子遷移率，并篩選出了21種載流子遷移率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅且具有合適帶隙的2D半導(dǎo)體。本工作使遷移學(xué)習(xí)能夠在同時跨屬性和跨材料的場景中進(jìn)行，為用有限數(shù)據(jù)預(yù)測復(fù)雜的材料屬性提供了有效工具。

圖文導(dǎo)讀

圖1：從體材料有效質(zhì)量到2D載流子遷移率的對抗性遷移學(xué)習(xí)示意圖。

圖2：通過不同的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，展示不同方法的性能對比。

圖3：混合遷移學(xué)習(xí)骨架在2D載流子遷移率預(yù)測方面的性能和模型解釋。

圖4：具有高載流子遷移率的2D半導(dǎo)體。

圖5：具有高載流子遷移率的代表性2D材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。

總結(jié)展望

本研究開發(fā)的混合遷移學(xué)習(xí)方法結(jié)合了對抗性訓(xùn)練和專家知識，實現(xiàn)了不同材料和不同屬性間的有效知識遷移。本技術(shù)已被應(yīng)用于2D材料，并且通過利用體材料有效質(zhì)量的大數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地預(yù)測了載流子遷移率。值得注意的是，這種遷移率預(yù)測僅需要晶體結(jié)構(gòu)作為輸入，但保持了與DFT計算相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性，速度卻快了五個數(shù)量級。

此外，從4266個候選材料中篩選出了21種載流子遷移率遠(yuǎn)超硅的2D半導(dǎo)體。該方法的成功在于有效捕捉了不同材料間的相似性，同時也表征了目標(biāo)材料和屬性的獨特屬性，從而促進(jìn)了同時跨材料和跨屬性的遷移學(xué)習(xí)，提高了模型的預(yù)測能力和可靠性。本研究為解決ML輔助材料設(shè)計中的數(shù)據(jù)稀缺問題提供了一種廣泛適用的策略。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：From bulk effective mass to 2D carrier mobility accurate prediction via adversarial transfer learning

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49686-z