【教程】GW-BSE 方法精确计算 S0-T1 能隙

文摘   科技   2024-04-21 18:30   北京  


前言

通过 GW-Bethe-Salpeter方程(GW-BSE)进行 GW 计算,得到单粒子能量和屏蔽电子-电子相互作用,可用于计算光学激发能。苯的单重态-三重态能隙在本文是指,基态能量和最低激发三重态之间的能量差:ΔE=E(T1)−E(S0)(目前在 BSE 层面尚不能考虑振动的影响和结构弛豫)。

一般使用全电子TZ2P基组就足以用于计算激发能的BSE计算(要获得良好的准粒子能量,通常需要使用较大的基组)。其中最便宜的 BSE 方法是 G0W0-BSE,不过选择正确的起点很重要。对 G0W0-BSE 而言,建议使用含 40-50% Hartree-Fock 交换的杂化函数,而不是 PBE 或 LDA。

自洽 GW-BSE 方法对起点优劣程度的依赖性较高,兼顾精度尽量高和起点依赖尽量小,则推荐使用 qsGW-BSE 方法,但该方法对 Numerical Quality 精度的要求高于其他 BSE 方法,因此evGW-BSE 可以作为不错的替代方案,它比 qsGW-BSE 更依赖于起点,但小于 G0W0-BSE。


本教程参考资料:

  • 相关的英文短视频版带字幕

  • 相关workshop视频

  • 英文图文教程


GW-BSE 计算精度 Bechmarks:

  • https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00531


软件版本要求:AMS2023.104 及其以上。


结果展示

苯的 S0-T1 能隙实验值:3.66eV。测试在一个普通节点完成,计算值如下:


G0W0-BSE 计算

参数设置

我们从 G0W0-BSE 开始,这是一种依赖于起点的方法,这种方法一般效果最好的是使用大约 40-50% Hartree-Fock 交换的杂化函数。这里,我们使用PBE0,需要我们手动将 HF 交换含量更改为 40%,我们称之为修正函数 PBE0_40。


在AMSinput中,复制粘贴如下分子坐标即完成建模:

C       0.69542982      -1.20451978       0.00000000

C      -0.69542982      -1.20451978       0.00000000

C       1.39085964       0.00000000       0.00000000

C      -0.69542982       1.20451978       0.00000000

C       0.69542982       1.20451978       0.00000000

C      -1.39085964       0.00000000       0.00000000

H       1.23647506      -2.14163763       0.00000000

H      -1.23647506      -2.14163763       0.00000000

H       2.47295012       0.00000000       0.00000000

H      -1.23647506       2.14163763       0.00000000

H       1.23647506       2.14163763       0.00000000

H      -2.47295012       0.00000000       0.00000000


参数设置如下:




如果一个分子的 HOMO 或 LUMO 是简并的,本例中苯就是如此,即使我们只对最低的能量感兴趣,也需要设置激发态数量需要 > 1,因此这里设置为 2,因为简并度为 2,如果 2 不够,还可以尝试 4。数量更大是允许的,计算结果上,没有什么坏处,只是会增大计算量、内存需求等。

保存,并运行作业。


结果查看

SCM → Output → Response Properties → All Singlet-Triplet Excitation Energies:


可以看到,计算的最低三重态激发态能量(这个能量是相对于 S00 的)约为 3.6055 eV,接近 3.66 eV 的实验值。如果我们使用基于标准的 PBE 泛函作为起点进行 GW-BSE 计算,计算得到的能隙约为3.32eV,因此起点对 G0W0-BSE 的计算结果影响非常明显。


evGW-BSE 计算

使用 evGW-BSE 能够部分地克服起点依赖性,其中准粒子能量是自洽迭代计算的,不过准粒子密度不是。与 G0W0-BSE 一样,建议 evGW-BSE使用杂化泛函,以大约 40-50% Hartree-Fock 交换的杂化泛函结果为起点。作为功能性的教学演示,我们这里仅仅使用相对较差的起点:标准 PBE 泛函。


参数设置




保存,并运行作业。


结果查看

SCM → Output → Response Properties → All Singlet-Triplet Excitation Energies,和前面类似地看到结果。计算得到的最低三重态激发态能量(这个能量是相对于 S0 的)为 3.45eV,比 G0W0-BSE 结果更接近实验值。如果使用 PBE0_40 作为起点,这个能量大约为 3.60 eV,接近基于PBE0_40 的 G0W0-BSE 的值。


qsGW-BSE 计算

使用 qsGW-BSE 几乎可以完全克服起点依赖性,准粒子能量和密度都是自洽计算的。


参数设置


保存,并运行作业。


结果查看

SCM → Output → Response Properties → All Singlet-Triplet Excitation Energies,和前面类似地看到结果。


基于 PBE 起点,计算得到的最低三重态激发态能量(这个能量是相对于 S0 的)约 3.71eV,这接近 3.66eV 的实验值。如果使用以 PBE0_40 为起点的 qsGW-BSE,得到的能量几乎是一样的,也是3.71eV。


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