ฟังก์ชันไฮบริด
ฟังก์ชันไฮบริดเป็นกลุ่มของการประมาณค่าฟังก์ชันพลังงานการแลกเปลี่ยน- ความ สัมพันธ์ในทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) ซึ่งรวมส่วนหนึ่งของการแลกเปลี่ยนที่แม่นยำจากทฤษฎีฮาร์ทรี-ฟ็อคเข้ากับพลังงานการแลกเปลี่ยน-ความสัมพันธ์ที่เหลือจากแหล่งอื่น ( ab initioหรือเชิงประจักษ์) ฟังก์ชันพลังงานการแลกเปลี่ยนที่แม่นยำนั้นแสดงในรูปของออร์บิทัลของ Kohn-Shamแทนที่จะเป็นความหนาแน่น ดังนั้นจึงเรียกว่า ฟังก์ชันความ หนาแน่นโดยปริยาย หนึ่งในเวอร์ชันที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือ B3LYP ซึ่งย่อมาจาก " Becke , 3-parameter, Lee– Yang – Parr "
ต้นทาง
แนวทางไฮบริดในการสร้างการประมาณฟังก์ชันความหนาแน่นได้รับการแนะนำโดยAxel Beckeในปี 1993 [ 1 ] การผสมผสานกับการแลกเปลี่ยน Hartree–Fock (HF) (เรียกอีกอย่างว่าการแลกเปลี่ยนที่แม่นยำ) นำเสนอแผนการที่เรียบง่ายสำหรับการปรับปรุงการคำนวณคุณสมบัติโมเลกุลหลายอย่าง เช่นพลังงานการแตกตัวเป็นอะตอมความยาวพันธะและความถี่การสั่นซึ่งมักจะอธิบายได้ไม่ดีนักด้วยฟังก์ชัน "ab initio" แบบง่ายๆ[ 2 ]
วิธี
โดยทั่วไปแล้ว ฟังก์ชันแลกเปลี่ยน-ความสัมพันธ์แบบไฮบริดจะถูกสร้างขึ้นจากผลรวมเชิงเส้นของฟังก์ชันแลกเปลี่ยนที่แม่นยำของ Hartree–Fock
และฟังก์ชันความหนาแน่นที่ชัดเจนของการแลกเปลี่ยนและความสัมพันธ์จำนวนใดๆ พารามิเตอร์ที่กำหนดน้ำหนักของฟังก์ชันแต่ละตัวมักจะระบุโดยการปรับการคาดการณ์ของฟังก์ชันให้เข้ากับข้อมูลเทอร์โมเคมีเชิงทดลองหรือที่คำนวณได้อย่างแม่นยำ แม้ว่าในกรณีของ "ฟังก์ชันการเชื่อมต่อแบบอะเดียแบติก" น้ำหนักสามารถกำหนดไว้ล่วงหน้าได้[ 2 ]
บี3ลีป
ตัวอย่างเช่นฟังก์ชันแลกเปลี่ยน-สหสัมพันธ์ B3LYP (Becke, [ 3 ] 3-parameter, [ 4 ] Lee–Yang–Parr) [ 5 ] ที่ได้รับความนิยมคือ
ที่ไหน,, และ. เป็นการประมาณค่าเกรเดียนต์ทั่วไป : ฟังก์ชันแลกเปลี่ยน Becke 88 [ 6 ]และฟังก์ชันสหสัมพันธ์ของ Lee, Yang และ Parr [ 7 ]สำหรับ B3LYP และVWN (Vosko, Wilk และ Nusair 1980 Correlation functional) คือการประมาณความหนาแน่นสปินเฉพาะที่ของฟังก์ชันสหสัมพันธ์[ 8 ]
พารามิเตอร์ทั้งสามที่กำหนด B3LYP ได้รับการนำมาโดยไม่มีการแก้ไขจากการปรับฟังก์ชัน B3PW91 ดั้งเดิมของ Becke ให้เข้ากับชุดพลังงานอะตอม ศักยภาพการแตกตัวเป็นไอออน ความสัมพันธ์ของโปรตอน และพลังงานอะตอมทั้งหมด[ 9 ]
พีบีอี0
ฟังก์ชัน PBE0 [ 2 ] [ 10 ] ผสมผสานพลังงานการแลกเปลี่ยน Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE) และพลังงานการแลกเปลี่ยน Hartree–Fock ในอัตราส่วน 3:1 พร้อมกับพลังงานความสัมพันธ์ PBE เต็มรูปแบบ:
ที่ไหนคือฟังก์ชันแลกเปลี่ยนที่แม่นยำของ Hartree–Fockระบบแลกเปลี่ยน PBE ใช้งานได้หรือไม่ และคือฟังก์ชันสหสัมพันธ์ PBE [ 11 ]
เอชเอสอี
ฟังก์ชันการแลกเปลี่ยน-ความสัมพันธ์ HSE (Heyd–Scuseria–Ernzerhof) [ 12 ]ใช้ศักยภาพคูลอมบ์ที่ถูกคัดกรองด้วยฟังก์ชันข้อผิดพลาดเพื่อคำนวณส่วนการแลกเปลี่ยนของพลังงานเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการคำนวณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบโลหะ:
ที่ไหนคือพารามิเตอร์การผสม และเป็นพารามิเตอร์ที่ปรับได้ซึ่งควบคุมระยะการโต้ตอบในระยะสั้น ค่ามาตรฐานของและ(โดยทั่วไปเรียกว่า HSE06) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าให้ผลลัพธ์ที่ดีสำหรับระบบส่วนใหญ่ ฟังก์ชันแลกเปลี่ยน-ความสัมพันธ์ HSE จะลดรูปเป็นฟังก์ชันไฮบริด PBE0 สำหรับ. คือฟังก์ชันแลกเปลี่ยนที่แม่นยำแบบ Hartree–Fock ระยะสั้นและคือส่วนประกอบระยะสั้นและระยะยาวของฟังก์ชันแลกเปลี่ยน PBE และคือ ฟังก์ชันสหสัมพันธ์PBE [ 11 ]
เมตาไฮบริด GGA
ชุดฟังก์ชัน M06 [ 13 ] [ 14 ]เป็นชุดฟังก์ชัน DFT แบบ meta-hybrid GGA และ meta-GGA จำนวนสี่ชุด ฟังก์ชันเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยการปรับพารามิเตอร์ตามประสบการณ์ ในขณะที่ถูกจำกัดให้เป็นก๊าซอิเล็กตรอนแบบสม่ำเสมอ
กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้ประกอบด้วยฟังก์ชันการทำงาน M06-L, M06, M06-2X และ M06-HF โดยแต่ละรุ่นมีปริมาณการแลกเปลี่ยนที่แน่นอนแตกต่างกัน M06-L เป็นวัสดุที่มีการแลกเปลี่ยนเฉพาะที่โดยไม่มีการแลกเปลี่ยน HF (ดังนั้นจึงไม่ถือว่าเป็นวัสดุไฮบริด) M06 มีการแลกเปลี่ยน HF 27% M06-2X มี 54% และ M06-HF มี 100%
ข้อดีและประโยชน์ของแต่ละฟังก์ชันมีดังนี้
- M06-L: รวดเร็ว เหมาะสำหรับโลหะทรานซิชัน สารประกอบอนินทรีย์ และสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิก
- M06: สำหรับกลุ่มหลัก สารประกอบอินทรีย์โลหะ จลศาสตร์ และพันธะที่ไม่ใช่โคเวเลนต์
- M06-2X: กลุ่มหลัก, จลนศาสตร์
- M06-HF: TD-DFT แบบถ่ายโอนประจุ สำหรับระบบที่การปฏิสัมพันธ์กับตัวเองเป็นสิ่งผิดปกติ
ชุดโปรแกรมนี้ให้ผลลัพธ์ที่ดีสำหรับระบบที่มีแรงกระจายตัว ซึ่งเป็นหนึ่งในข้อบกพร่องที่สำคัญที่สุดของวิธีการ DFT มาตรฐาน
การทบทวนฟังก์ชัน DFT ล่าสุดสรุปว่า: "แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับพลังงานและรูปทรงเรขาคณิต แต่เราต้องสงสัยว่าฟังก์ชันที่มีพารามิเตอร์สูงในปัจจุบันต้องการคำแนะนำเพิ่มเติมจากข้อจำกัดที่แน่นอน หรือความหนาแน่นที่แน่นอน หรือทั้งสองอย่าง" [ 15 ]