【摘要】：近年來(lái),熱電材料由于具有能夠在熱能與電能之間直接轉(zhuǎn)換,體積小,可靠性高,環(huán)境友好等特點(diǎn),成為了目前材料領(lǐng)域內(nèi)研究的熱門方向。但是對(duì)熱電材料的研究,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)觀察數(shù)據(jù),憑借直覺(jué)提出假設(shè)然后驗(yàn)證假設(shè)的傳統(tǒng)材料研究方法,已經(jīng)很明顯不適用于當(dāng)今高速發(fā)展的數(shù)字智能時(shí)代。利用第一性原理,能夠不斷完善熱電理論和進(jìn)行新型熱電材料設(shè)計(jì),但是研發(fā)周期依舊過(guò)長(zhǎng)。因此,探尋新的研究方法來(lái)輔助加快新型熱電材料的研發(fā)具有重要意義。針對(duì)上述新型熱電材料設(shè)計(jì)研發(fā)存在的問(wèn)題,本文提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行材料熱電性能的預(yù)測(cè)方法,重點(diǎn)是通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)熱電材料塞貝克系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),幫助后續(xù)熱電材料研究人員快速篩選出具有理想塞貝克系數(shù)的熱電材料。同時(shí),我們還借助訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型找到了影響塞貝克系數(shù)的重要特征。因此,本文的工作內(nèi)容大致分為兩個(gè)部分:第一部分,本文通過(guò)開源材料數(shù)據(jù)庫(kù)Materials Project獲取了2233 1條半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)數(shù)據(jù),構(gòu)建了回歸模型的數(shù)據(jù)集。然后從化合物的構(gòu)成元素性質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)信息兩個(gè)方面進(jìn)行特征工程,將選擇后的元素類型特征和空間結(jié)構(gòu)型特征組合形成向量,作為數(shù)據(jù)集每一個(gè)化合物的“描述符”,使用它訓(xùn)練出能夠預(yù)測(cè)塞貝克系數(shù)的梯度提升決策樹(GBDT)模型。模型在測(cè)試集預(yù)測(cè)效果達(dá)到R2=0.81,MAE=20.52 μ V/K,RMSE=25.36 μ V/K,MAPE=5.62%。另外利用GBDT模型的可解釋性,得到了這部分輸入特征變量的重要度。第二部分,為了挖掘出材料能帶結(jié)構(gòu)中與塞貝克系數(shù)密切相關(guān)的特征,本文進(jìn)一步獲取了 516個(gè)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),首先使用經(jīng)過(guò)處理后的能帶數(shù)據(jù)訓(xùn)練能夠預(yù)測(cè)塞貝克系數(shù)的GBDT模型,然后借助該模型結(jié)合聚類的方式提取了 4類能帶中對(duì)塞貝克系數(shù)影響大的特征,最后驗(yàn)證了提取特征的有效性。
【圖文】：

對(duì)該材料的進(jìn)一步研宄，如果該材料性能符合期望，則將該材料數(shù)據(jù)添加到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集逡逑當(dāng)中，再次重復(fù)進(jìn)行對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的模型訓(xùn)練，如此不斷循環(huán)此過(guò)程直到所有材料列舉逡逑完為止，圖１－１展示了該過(guò)程。這一自適應(yīng)學(xué)習(xí)的方法對(duì)自動(dòng)化地篩選出符合要求的材逡逑料空間結(jié)構(gòu)、加快新材料設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)起到顯著的效果。ＫｅｉｓｕｋｅＴａｋａｈａｓｈｉＭ使用通過(guò)第逡逑一性原理計(jì)算得到的數(shù)據(jù)集，然后運(yùn)用支持向量機(jī)算法成功預(yù)測(cè)材料晶體結(jié)構(gòu)類型，對(duì)逡逑應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法的預(yù)測(cè)材料的屬性這一過(guò)程進(jìn)行了概述，為今后的科研人員開展此類逡逑研宄提供實(shí)質(zhì)性參考。逡逑第二方面，對(duì)于構(gòu)建材料晶體結(jié)構(gòu)和性能量化“描述符”的方法研究。材料的“描逡逑述符”作為輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)模型中的特征向量，對(duì)訓(xùn)練完成的模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和泛化能逡逑力有著極為重要的影響，其重要程度甚至超過(guò)了選擇的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。面對(duì)不同的研宄逡逑對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域我們需要使用不同的材料量化描述方法，，可以歸納為：一方面，可以根逡逑據(jù)材料科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)理論知識(shí)建立對(duì)數(shù)據(jù)集中各個(gè)材料的量化描述，也可以稱之為逡逑“描述符”

，，，展和進(jìn)步和計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，越來(lái)越多的材料數(shù)據(jù)庫(kù)向公眾開放。如晶體結(jié)構(gòu)數(shù)逡逑據(jù)庫(kù)（ＩＣＳＤ，Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋Ｄａｔａｂａｓｅ）、綜合型材料基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)庫(kù)邋ＭａｔＮａｖｉ、逡逑ＭａｔＷｅｂ、Ｍａｔｅｒｉａｌ邋Ｐｒｏｊｅｃｔ、劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（ＣＳＤ，邋Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋Ｄａｔａｂａｓｅ）、以逡逑ＡＦＬＯＷ邋網(wǎng)站（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ－ＦＬＯＷ）及邋ＮＯＭＡＤ邋網(wǎng)站（Ｎｏｖｅｌ邋Ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ）等。這些逡逑開源的數(shù)據(jù)庫(kù)一方面提供了材料領(lǐng)域大量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，另一方面提供了常用的材逡逑料數(shù)據(jù)分析工具，對(duì)我們的研宄有著巨大幫助。逡逑本課題用于熱電性能預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)源主要是現(xiàn)有的材料工程數(shù)據(jù)庫(kù)Ｍａｔｅｒｉａｌ逡逑ｐｒｏｊｅｃｔ（ＭＰ），而ＭＰ網(wǎng)站的ＲＥＳＴＡＰＩ被整合到了材料基因分析軟件包ｐｙｍａｔｇｅｎ（Ｐｙｔｈｏｎ逡逑Ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋Ｇｅｎｏｍｉｃｓ），我們通過(guò)該工具實(shí)現(xiàn)對(duì)材料數(shù)據(jù)的下載。Ｐｙｍａｔｇｅｎ是一個(gè)功能強(qiáng)逡逑大的開源的Ｐｙｔｈｏｎ模塊，主要用來(lái)做材料分析，在本文工作中，除了獲取數(shù)據(jù)，我們多逡逑次用到了邋Ｐｙｍａｔｇｅｎ。Ｐｙｍａｔｇｅｎ有以下主要特點(diǎn)：逡逑（１）具有高移植性性的代表著元素，分子，結(jié)構(gòu)對(duì)象的類；逡逑（２）支持多種輸入格式，包括ＶＡＳＰ，邋ＣＩＦ，ＸＹＺ等；逡逑（３）強(qiáng)大的分析工具，具有生成相圖，進(jìn)行散射分析等功能；逡逑（４）電子結(jié)構(gòu)分析，包括電子態(tài)密度和電子能帶結(jié)構(gòu)。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP181;TB34

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 繆婷婷;馬維剛;李震;張興;;一種測(cè)量熱電材料塞貝克系數(shù)的新方法[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2011年04期

2 王善慈;多晶硅敏感技術(shù)（連載七）[J];傳感器技術(shù);1995年01期

3 ;高性能熱電變換材料[J];金屬功能材料;1999年05期

4 和清霖;尚曉星;宋紅章;郝好山;;Al摻雜對(duì)YBaCo_4O_7氧吸附和電輸運(yùn)性能的影響[J];功能材料;2014年16期

5 ;銅離子的類液體狀熱電學(xué)[J];中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué);2012年05期

6 賈陽(yáng);任德鵬;;溫差發(fā)電器中熱電材料物性的影響分析[J];電源技術(shù);2008年04期

7 鄭文禮,李志文,劉炳燦,田強(qiáng);熱電材料研究進(jìn)展[J];大學(xué)物理;2004年11期

8 鄭文禮;劉炳燦;李志文;田強(qiáng);;熱電材料研究進(jìn)展[J];物理通報(bào);2003年08期

9 李蒙;李洪濤;吳益文;郅惠博;龔思維;周小剛;吳曉紅;周輝;季誠(chéng)昌;宿太超;;熱電材料的應(yīng)用、研究及性能測(cè)試進(jìn)展[J];理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè));2013年01期

10 常瀟琳;楊崇立;朱春暉;李壯志;周鴻娟;侯登錄;;塞貝克系數(shù)和電阻率測(cè)量設(shè)備的搭建[J];物理實(shí)驗(yàn);2013年06期

相關(guān)會(huì)議論文 前3條

1 神政武;王藝霖;王為;;電沉積Bi_2Te_3/nano-SiC納米復(fù)合溫差發(fā)電材料[A];第十屆全國(guó)表面工程大會(huì)暨第六屆全國(guó)青年表面工程論壇論文摘要集（一）[C];2014年

2 徐斌;王淵旭;;ZrNiSn基half-Heusler化合物Ni被Y部分替代對(duì)熱電性的影響[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

3 黃大真;張鳳嬌;臧亞萍;狄重安;朱道本;;有機(jī)光熱電器件的制備與功能應(yīng)用[A];2015年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集——主題H 能源高分子[C];2015年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前8條

1 孫亞洲;p型BiCuSeO基硒氧化物熱電傳輸特性研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 郝好山;稀土—鋇—鈷—氧材料的氧擴(kuò)散與電輸運(yùn)性能研究[D];鄭州大學(xué);2007年

3 高君玲;硒碲化物熱電材料的輸運(yùn)性能研究與優(yōu)化[D];北京科技大學(xué);2018年

4 歐云;鈷基熱電氧化物陶瓷的制備與性能表征[D];湘潭大學(xué);2014年

5 彭麗萍;異價(jià)摻雜TiO_2的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)及熱電性能研究[D];華中科技大學(xué);2014年

6 薛惠杰;耦合量子點(diǎn)系統(tǒng)熱電和熱自旋效應(yīng)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

7 薛麗;CuGaTe_2半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)和熱電性能的第一性原理研究[D];華中科技大學(xué);2014年

8 慈朋亮;硅微通道板制備及其熱電性能研究[D];華東師范大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 陳佳;機(jī)器學(xué)習(xí)在材料熱電性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[D];北京郵電大學(xué);2019年

2 蔡云萍;ZnO摻雜及其熱學(xué)性質(zhì)研究[D];廈門大學(xué);2017年

3 何煦;半導(dǎo)體熱電材料性能參數(shù)測(cè)量方法及裝置研究[D];華中科技大學(xué);2017年

4 段志浩;Fe薄膜中縱向自旋塞貝克系數(shù)的定量測(cè)量[D];南京大學(xué);2018年

5 李佳書;摻雜Ca_3CO_4O_9熱電材料制備與性能研究[D];大連工業(yè)大學(xué);2016年

6 陳鏡瀟;B_4C基復(fù)合材料熱電性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

7 沈天涵;聚偏氟乙烯/碳納米管熱電材料的制備及其性能研究[D];武漢工程大學(xué);2015年

8 張喜雯;Ba_2ZnPn_2(Pn=As、Sb、Bi)和FeZr/Hf_xNb_(1-x)Sb_(1-y)Sn_y的高熱電性能研究與預(yù)測(cè)[D];河南大學(xué);2017年

9 蔡曉君;碲化鉛基塊體納米材料的制備及其熱電性能研究[D];鄭州大學(xué);2015年

10 張奧迪;GaN基熱電材料表征及性質(zhì)研究[D];河北科技大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2664878