Revised Basin-Hopping Monte Carlo Algorithm for Structure Optimization of Clusters and Nanoparticles

Abstract

Suggestions for improving the Basin-Hopping Monte Carlo (BHMC) algorithm for unbiased global optimization of clusters and nanoparticles are presented. The traditional basin-hopping exploration scheme with Monte Carlo sampling is improved by bringing together novel strategies and techniques employed in different global optimization methods, however, with the care of keeping the underlying algorithm of BHMC unchanged. The improvements include a total of eleven local and nonlocal trial operators tailored for clusters and nanoparticles that allow an efficient exploration of the potential energy surface, two different strategies (static and dynamic) of operator selection, and a filter operator to handle unphysical solutions. In order to assess the efficiency of our strategies, we applied our implementation to several classes of systems, including Lennard-Jones and Sutton-Chen clusters with up to 147 and 148 atoms, respectively, a set of Lennard-Jones nanoparticles with sizes ranging from 200 to 1500 atoms, binary Lennard-Jones clusters with up to 100 atoms, (AgPd)55 alloy clusters described by the Sutton-Chen potential, and aluminum clusters with up to 30 atoms described within the density functional theory framework. Using unbiased global search our implementation was able to reproduce successfully the great majority of all published results for the systems considered and in many cases with more efficiency than the standard BHMC. We were also able to locate previously unknown global minimum structures for some of the systems considered. This revised BHMC method is a valuable tool for aiding theoretical investigations leading to a better understanding of atomic structures of clusters and nanoparticles.

Binary Lennard-Jones atomic clusters: Structural features induced by large-sized atoms

“…Three potential energies obtained in the present study (E 59 /ε = -315.027359 for s = 1.15, E 68 /ε = -372.247969 for s = 1.15 and E 70 /ε = -391.735161 for s = 1.2) are lower than the corresponding energies given previously, -315.023963ε [19], -371.831801ε [7], and -391.581513ε [7]. The significant energy differences between the present and previous potential energies indicates that the present method locate new global minima; the geometrical data are deposited in supplementary data.…”

“…After the publication, Wenqi and Tao deposited following new minima in the CCD [7]; BLJ 66 for s = Recently Rondina and Da Silva [19] developed a global optimization method based on the BH algorithm and applied it to several cases including the BLJ clusters with N = 5 -100. Comparison of the results with the data taken from the above-mentioned studies shows that 2 new global minima are located with the method: BLJ 38 for s = 1.05 (E 38 /ε = -177.260679) and BLJ 66 for s = 1.15 (E 66 /ε = -359.749940).…”

Investigação <i>ab initio</i> dos mecanismos de formação de nanoligas <i>core-shell</i> com platina e metais de transição dos períodos 3<i>d</i>, 4<i>d</i> e 5<i>d</i>

“…A estabilidade dessas nanoligas pode ser investigada por métodos de dinâmica molecular baseados em potenciais empíricos ou semi-empíricos, para os quais existem uma variedade de algoritmos de otimização estrutural, tais como: Basin-Hopping Monte Carlo (BHMC), 43 Revised Basin-Hopping Monte Carlo (RBHMC), 44 algoritmos genéticos, 45,46 pesquisa-tabu, 47 entre outros. Embora estes algoritmos sejam altamente eficientes na busca por mínimos globais de energia, a demanda computacional para executá-los cresce à medida que o número de átomos no sistema aumenta, uma vez que aumentam os mínimos locais a serem investigados (e.g., a quantidade de mínimos locais para um sistema de 55 átomos é da ordem de 10 10 ).…”

Estudo das propriedades energéticas e estruturais dos sistemas ZrCu, ZrAl, CuAl e ZrCuAl por meio de simulação computacional

“…Uma tarefa fundamental relacionada na investigação de nanoligas é identificar as estruturas putativas de menor energia do sistema de interesse para cada tamanho e composição. Para atacar este problema neste trabalho foi utilizado o algoritmo de otimização global de clusters e nanopartículas basin-hopping Monte Carlo revisado (46,47), o qual foi capaz de obter um vasto conjunto de estruturas, tanto para as de maior energia bem como a estrutura putativa de menor energia. Para melhorar o entendimento de formação de mistura homogênea entre as espécies químicas, estruturas do tipo caroço-casca ou cebola (do inglês onion-like) em nanoligas e também analisar a estabilidade relativa, neste trabalho foi realizado o estudo dos sistemas ZrCu, ZrAl, CuAl e ZrCuAl, comumente empregado no contexto de vidros intermetálicos.…”

“…Para obter as estruturas de menor energia dos sistemas escolhidos foi utilizado o método de otimização global de clusters e nanopartículas RBHMC, implementado no pacote GOTNano ( Global Optimization and Thermodynamics of Nanoclusters), o qual foi submetido a diversos testes para um vasto conjunto de partículas de diversas espécies químicas e tamanhos (46,47). O método pertence à classe de técnicas de transformação da superfície de energia potencial (SEP) com o objetivo de simplificar a busca pelo mínimo global.…”