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yongleli
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Chem8 Zhao Y(Truhlar组里专门开发泛函的) 有一个综述。 现在转述如下(不会插图,那一张图片以后再说): ================================= 密度泛函的发展与应用 1.引言 密度泛函理论是当前理论化学和固体物理计算的重要工具。理论化学界引用率最高 的文章是Becke 发表于1993年的hybrid密度泛函1 (引用数 >25000 )。Kohn 组和 Perdew组的许多密度泛函文章在物理学界引用率也极高。密度泛函的鼻祖Kohn,虽然是一 位物理学家,却与Pople分享了1998年的诺贝尔化学奖(搞得有些物理学者称之为物理学界 的耻辱)。近20多年来,许多新的密度泛函发表在科技文献中,本人在Truhlar组做博士和 博士后期间 (20001-2008),也发展了一些密度泛函。现就个人所了解的一些密度泛函进展 ,与各位Chem8er分享。 2.密度泛函的“雅各梯” 密度泛函分类在物理和化学界还没有一个统一的标准。密度泛函领域的大牛Perdew 2在2001 年提出了用“雅各梯 (Jacob’s ladder)”来对密度泛函分类。雅各是旧约圣 经里的一个重要人物,他也叫以色列,是犹太人的祖先。他靠阴谋诡计夺取了长子名分, 害怕大哥追杀而逃亡,在逃亡的路上,雅各做了一个梦,在梦中,雅各看见一道长长的梯 ,一端立在地上,另一端顶着天堂。天使们在梯子上走动,上上下下。 Perdew的密度泛函“雅各梯”可用图1来表示 图1. 密度泛函“雅各梯” “雅各梯”中地面是Hartree理论,这是一非常不精确的方法,既无电子交换能( exchange)也无相关能(correlation)。Hartree方法在当今理论化学和物理计算中应用 极少。请注意,这里说的是Hartree,没有Fock什么事。也就是说只有有J算符而没有K算符。 “雅各梯”中第一梯是“局域自旋密度近似”(local spin density approximation, LSDA)。此类泛函中的变量是局域自旋密度ρϭ。LSDA的交换能有解析表达式,文献中常 称之为Slater或Dirac exchange 泛函。LSDA的相关能(correlation)无解析表达式,只 能用带参数的函数来fitting一些均匀电子气高水平计算(例如Quantum Monte Carlo)结 果。当前用的最多LSDA correlation 泛函是Vosko-Wilk-Nusair (VWN)系列3和Perdew- Wang 91(PW91L)4。LSDA在早期固体物理特别是晶格常数的计算中取得了令人惊讶的成功 ,但在化学中应用不太理想,因为LSDA过高的估计了化学键能。 “雅各梯”的第二梯是广义密度梯度近似(Generalized Gradient Approximation, G GA)。此类泛函中的变量是局域自旋密度ρϭ及其梯度Ñρϭ。GGA的exchange和 correlation均无解析表达式。最早成功用于化学计算的密度泛函是BLYP GGA,“B”是 Becke88 exchange5,“LYP”是Lee-Yang-Parr correlation6。物理学界用的最广泛的GG A是Perdew-Burke-Ernzerh (PBE)泛函。另外一些常用的GGA是BP86,5,7 G96LYP, 6,8 H CTH,9 mPWPW,10 OLYP,6,11 OPBE,11,12 PBEsol,13 and SOGGA14 第三梯是meta-广义梯度密度泛函理论, 或meta-GGA。此类泛函比GGA多的变量是 动能密度(kinetic energy density)或是局域自旋密度的二阶导数。比较常见的meta-G GA有M06-L,15 TPSS,16,17 and VSXC18。 “雅各梯”的第四梯是hyper-GGA,此类泛函中引入了Hartree-Fock exchange,又可 细分为hybrid-GGA和hybrid-meta-GGA。化学界最流行的泛函,B3LYP,就是属于hybrid-G GA。其它常用的hybrid GGA 是B97-1,9 B97-2,19 B98,20 BHandH,21 BHandHLYP,21 MPW1 K,22 mPW1PW,10 MPW3LYP,6,10,23 O3LYP, 11,24 PBE0,12 和X3LYP25。常用的hybrid meta-GGA有 BMK,26 MPW1B95,23 MPWB1K,23 M05,27 M05-2X,28 M06,29 M06-2X,29 M06-H F,30 和TPSSh 16,17。 “雅各梯”的第五梯利用了virtual orbital的信息,最近流行的double-hybrid泛函 属于这一梯。常用的是B2PLYP和mPW2PLYP。最近有位chem8er发展了一XYG3 泛函(http:// chem8.org/bbs/thread-24476-1-1.html),也属此类。此梯上的泛函比前四梯的计算量有 所增加,与MP2理论的computational cost 差不多。 3.密度泛函的选用 前一部分介绍那么多泛函,给应用者一个困难问题就是不知道该选用哪些泛函来对 自己的研究体系进行计算。我在Truhlar组时发表了许多密度泛函评价(assessment)的文 章,以下是我对一些密度泛函应用领域的总结: A.主族热化学(main-group thermochemistry): 相关能(correlation energy)在这一 领域的系统主要是动态相关(dynamic correlation),除了LSDA外,几乎所有的密度泛函 包括B3LYP都OK。表现最好的是double-hybrid 泛函如B2PLYP和XYG3。对小或中等大小的系 统,我建议用double-hybrid 泛函。对稍大系统,我推荐用M06-2X,M06,BMK,B97-3,或 B98. B.过度金属化学(transition-metal chemistry): 相关能(correlation energy)在过 度金属化合物系统中既有动态相关(dynamic correlation)又有静态相关(static correlation). 对静态相关强的系统,我建议使用M06-L,M06,TPSS, PBE,BPW91,或 BLYP。 C.热动力学(thermochemical kinetics):对化学反应能垒(barrier height)计算好的 泛函有XYG3,B2KLYP,M06-2X,BB1K, MPWB1K, BMK, 和 M08-HX。 D.非键作用:对π•••π stacking 计算结果好的密度泛函有:XYG3,B2PLYP-D,M06 -2X, M06-L,M08-HX和B97-D。对charge-transfer作用计算好的密度泛函有M05-2X,M06 -2X, M08-HX,和XYG3。 E.NMR:对NMR 计算结果好的密度泛函有M06-L,VSXC, OPBE,和KT2。 F. 晶体晶格常数:对晶格常数计算结果好的密度泛函有PBEsol,SOGGA,和 WC06。 4.新密度泛函的发展方法 发展密度泛函长期以来有两个流派,一派为半经验fitting,另一派为constraints satisfaction 推导。很象华山派的剑宗和气宗。剑宗的祖师是Becke,化学界最popular的 B3LYP泛函就出自剑宗。气宗的代表人物是Perdew,PBE和TPSS泛函里的“P”是指Perdew。 另一位剑气双修的密度泛函高手是Scuseria,他既发展了剑宗流派的VSXC,又发展了气宗 的TPSS和HSE。 两个流派的共同出发点是选取含一定参数的泛函,不同点是剑宗用半经验fitting的方法来 确定参数值,而气宗则用量子力学推导出的条件或constraints来确定参数值。剑宗流派的 优点是泛函开发周期短且对fitting的系统及类似系统计算结果好,缺点是参数的物理图像 不清晰。气宗流派的优点是泛函中参数都是从量子力学推导出的条件或constraints来得到 ,气宗的泛函有更大普适性。气宗流派的缺点是开发周期太长,Perdew在他一篇文章31里 提到“It took 26 years to develop a successful nonempirical second rung, and 1 2 more years to do the same for the third rung.”也就是说气宗26年发展一GGA,12 年发展一meta-GGA。上面第3部分提到的密度泛函中,只有LSDA,PBE,和TPSS属于气宗流 派,其它包括我发展的M05和M06系列都属于剑宗流派。我个人认为,如果没有剑宗的B3LY P泛函,照气宗的发展模式,Kohn是不会得1998诺贝尔化学奖的。Perdew最新的PSTS泛函也 走向了剑气合一的发展方向。 最近又有四种剑气合一密度泛函发展方法,它们是: 1)DFT-D: DFT-D在DFT 能量上加入一色散能量项–C6R-6,32-47 如TPSS-D,35 B97-D,34,4 6 和 DF0747,这些泛函对非键作用的计算结果很好。 2)Range-separated hybrid (RSH) 泛函: RSH 最早由Savin48 提出,他将库伦算子( Coulomb operator) 分为长程(long-range)和短程(short-range)部分, 并对长程和 短程部分做不同处理. 这类泛函有HSE03,49 CAM-B3LYP,50 RSHXPBE,51 LC- ωPBE,52 LCgau-BOP,53 PBE/CCSD,54 和 ωB97X.55 3)Local hybrid functionals: 此类泛函中Hartree-Fock和DFT exchange 的量不固定,而 随空间结构和环境的变化而变化。PSTS泛函属于此类。其它小组也在做这方面的发展56-6 1。 4)Doubly hybrids: 前面提到的B2PLYP,62 mPW2PLYP63 和XYG3 都是doubly hybrid functionals。它们采用 Kohn-Sham unoccupied orbitals 计算MP2-type相关能. 最近 Tarnopolsky et al. 优化了B2K-PLYP和mPW2K-PLYP泛函64。 Benighaus et al.65 优化 了B2-P3LYP和 B2-OS3LYP泛函。这些泛函都在“雅各梯”的第五梯上。 5.结语 以上是我与各位Chem8er分享我对密度泛函发展和应用的一些粗浅认识,有些戏说的 地方,请大家包涵。 (1) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. (2) Perdew, J. P.; Schmidt, K. In Density Functional Theory and Its Applications to Materials; Van-Doren, V., Alsenoy, C. V., Geerlings., P., Eds.; American Institute of Physics: New York, 2001; pp 1. (3) Vosko, S. H.; Wilk, L.; Nusair, M. Can. J. Phys . 1980, 58, 1200. (4) Perdew, J. P.; Wang, Y. Phys. Rev. B 1992, 45, 13244. (5) Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098. (6) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785. (7) Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 33, 8822. (8) Gill, P. M. W. Mol. Phys. 1996, 89, 433. (9) Hamprecht, F. A.; Cohen, A. J.; Tozer, D. J.; Handy, N. C. J. Chem. Phys. 1998, 109, 6264. (10) Adamo, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 1998, 108, 664. (11) Handy, N. C.; Cohen, A. J. Mol. Phys. 2001, 99, 403. (12) Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1 996, 77, 3865. (13) Perdew, J. P.; Ruzsinszky, A.; Csonka, G. I.; Vydrov, O. A .; Scuseria, G. E.; Constantin, L. A.; Zhou, X.; Burke, K. Phys. Rev. Lett. 20 08, 100, 136406. (14) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2008, 128, 184109. (15) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2006, 125, 194101. (16) Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E.; Tao, J.; Perdew, J. P. J. Chem. Phys. 2003, 119, 12129. (17) Tao, J.; Perdew, J. P.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 146401. (18) Van Voorhis, T.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 1998, 109, 400. (19) Wilson, P. J.; Bradley, T. J.; Tozer, D. J. J. Chem. Phys. 2001, 115, 9233. (20) Schmider, H. L.; Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1998, 108, 96 24. (21) Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Gill, P. M. W.; Johnson, B. G.; Wong, M. W.; Foresman, J. B.; Robb, M. A.; Head-Gordon, M .; Replogle, E. S.; Gomperts, R.; Andres, J. L.; Raghavachari, K.; Binkley, J. S.; Gonzalez, C.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Defrees, D. J.; Baker, J.; Stewart, J. J. P.; Pople, J. A. Gaussian 92/DFT; Revision F.2 ed.; Gaussian, Inc.: Pittsburgh PA, 1993. (22) Lynch, B. J.; Fast, P. L.; Harris, M.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 4811. (23) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 6908. (24) Hoe, W.-M.; Cohen, A. J.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2 001, 341, 319. (25) Xu, X.; Goddard, W. A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 10 1, 2673. (26) Boese, A. D.; Martin, J. M. L. J. Chem. Phys. 2004, 121, 3 405. (27) Zhao, Y.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 20 05, 123, 161103. (28) Zhao, Y.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 364. (29) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215. (30) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 13126 . (31) Perdew, J. P.; Ruzsinszky, A.; Tao, J.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E.; Csonka, G. I. J. Chem. Phys. 2005, 123, 62201. (32) Paesani, F.; Gianturco, F. A.; Lewerenz, M. J. Chem. Phys. 1999, 111, 6897. (33) Ortmann, F.; Schmidt, W. G.; Bechstedt, F. Phys. Rev. Lett . 2005, 95, 186101. (34) Grimme, S. J. Comp. Chem. 2006, 27, 1787. (35) Jurecka, P.; Cerny, J.; Hobza, P.; Salahub, D. R. J. Comp. Chem. 2007, 28, 555. (36) Becke, A. D.; Johnson, E. R. J. Chem. Phys. 2006, 124, 174 104. (37) Puzder, A.; Dion, M.; Langreth, D. C. J. Chem. Phys. 2006, 124, 164105. (38) Sato, T.; Tsuneda, T.; Hirao, K. J. Chem. Phys. 2007, 126, 234114. (39) Morgado, C. A.; McNamara, J. P.; Hillier, I. H.; Burton, N . A.; Vincent, M. A. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 1656. (40) Tapavicza, E.; Lin, I.-C.; Lilienfeld, O. A. v.; Tavernelli, I.; Coutinho-Neto, M. D.; Rothlisberger, U. J. Chem. Theory Comput . 2007, 3, 1673. (41) Cerny, J.; Jurecka, P.; Hobza, P.; Valdes, H. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 1146. (42) Antony, J.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 52 87. (43) Grimme, S.; Antony, J.; Schwabe, T.; Mueck-Lichtenfeld, C. Org. Biomol. Chem. 2007, 5, 741. (44) Morgado, C.; Vincent, M. A.; Hillier, I. H.; Shan, X. Phys . Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 448. (45) Grimme, S. J. Comp. Chem. 2004, 25, 1463. (46) Grimme, S.; Mueck-Lichtenfeld, C.; Antony, J. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 11199. (47) Becke, A. D.; Johnson, E. R. J. Chem. Phys. 2007, 127, 124 108. (48) Savin, A. In Recent Developments and Applications of Modern Density Functional Theory; Seminario, J., Ed.; Elsevier: Amsterdam, 199 6; pp 327. (49) Heyd, J.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2003, 118, 8207. (50) Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004 , 393, 51. (51) Gerber, I. C.; Ángyán, J. G. Chem. Phys. Lett. 200 5, 415, 100. (52) Vydrov, O. A.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2006, 125, 2 34109/1. (53) Song, J.-W.; Tokura, S.; Sato, T.; Watson, M. A.; Hirao, K . J. Chem. Phys. 2007, 127, 154109. (54) Goll, E.; Werner, H.-J.; Stoll, H. Chem. Phys. 2008, 346, 257. (55) Chai, J.-D.; Martin, H.-G. J. Chem. Phys. 2008, 128, 84106 . (56) Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M.; Bahmann, H. J. Chem. Phys. 2 006, 124, 204102. (57) Bahmann, H.; Rodenberg, A.; Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M. J . Chem. Phys. 2007, 126, 11103. (58) Janesko, B. G.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2007, 127, 164117. (59) Kaupp, M.; Bahmann, H.; Arbuznikov, A. V. J. Chem. Phys. 2 007, 127, 194102. (60) Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M. Chem. Phys. Lett. 2007, 440, 160. (61) Janesko, B. G.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2008, 128, 84111. (62) Grimme, S. J. Chem. Phys. 2006, 124, 34108. (63) Schwabe, T.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 4 398. (64) Tarnopolsky, A.; Karton, A.; Sertchook, R.; Vuzman, D. J. Phys. Chem A 2008, 112, 3. (65) Benighaus, T.; DiStasio, R. A.; Lochan, R. C.; Chai, J.-D. ; Head-Gordon, M. J. Phys. Chem A 2008, 112, 2702. [ Last edited by yongleli on 2009-9-2 at 20:49 ] |
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http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=1514220&fpage=1 这个帖子的附件中,第19号教程 |
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yongleli
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B3LYP是公认的目前为止,计算热化学和化学反应机理(IRC和过渡态电子结构)结果最好的泛函。这也是化学界搞计算的最常用的功能。所以,一般来说,如非必要,当然是B3LYP/6-31G*为最好的选择啦! 但是B3LYP什么时候不能用呢? 请看这有一篇讨论B3LYP的问题的: (1) P Joachim, M Martijn, K Georg: Why does the B3LYP hybrid functional fail for metals? Journal of Chemical Physics 127 (2007) 024103. [ Last edited by yongleli on 2009-9-3 at 14:24 ] |
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