[논문 리뷰] SCAN+rVV10: A promising van der Waals density functional

Haowei Peng, Zeng-hui Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 19.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices인용 수 193

한 줄 요약

이 논문은 강한 제약 조건과 적절한 노름 조건을 만족하는 (SCAN) 메타-GGA와 rVV10 반데르발스 상호작용 기능에서 유래한 비국소 상관성의 하이브리드 밀도 기능을 제안한다. 이 기능은 오직 두 개인자리 매개변수만을 사용하며, 28종의 다층 물질에 대해 상호작용 에너지, 평면내 및 다층 간 격자 상수를 매우 정확하게 예측한다. 이는 기존의 기능들보다 유사한 계산 비용으로도 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The newly developed "strongly constrained and appropriately normed" (SCAN) meta-generalized-gradient approximation (meta-GGA) can generally improve over the non-empirical Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) GGA not only for strong chemical bonding, but also for the intermediate-range van der Waals (vdW) interaction. However, the long-range vdW interaction is still missing. To remedy this, we propose here pairing SCAN with the non-local correlation part from the rVV10 vdW density functional, with only two empirical parameters. The resulting SCAN+rVV10 yields excellent geometric and energetic results not only for molecular systems, but also for solids and layered-structure materials, as well as the adsorption of benzene on coinage metal surfaces. Especially, SCAN+rVV10 outperforms all current methods with comparable computational efficiencies, accurately reproducing the three most fundamental parameters---the inter-layer binding energies, inter-, and intra-layer lattice constants---for 28 layered-structure materials. Hence, we have achieved with SCAN+rVV10 a promising vdW density functional for general geometries, with minimal empiricism.

연구 동기 및 목표

• 밀도함수이론(DFT) 내에서 다층 물질의 장거리 반데르발스(vdW) 상호작용을 정확히 기술하는 데 지속적인 과제를 해결한다.
• 중간 거리의 vdW 상호작용은 잘 기술하지만 장거리 기여를 누락하는 SCAN의 한계를 극복한다.
• rVV10과 VV10과 같은 기존의 vdW 기능들은 RPA 기준과 비교해 약 40% 정도 상호작용 에너지를 과대평가한다는 점을 개선한다.
• 다양한 시스템에서 강한 화학 결합과 약한 vdW 상호작용을 동시에 정확히 처리할 수 있는 일반 목적의 계산 효율성이 높은 기능을 개발한다.

제안 방법

• 정확한 제약 조건을 만족하고 비국소성을 향상시킨 SCAN 메타-GGA 기능과 rVV10 기능의 비국소 상관성 성분을 조합한다.
• 오직 두 개인자리 매개변수인 rVV10의 원래 C=0.0093와 재조정된 b=6.3을 사용하여 최소한의 경험적 요소를 확보한다.
• Klimeš 등이 개발한 vdW-DF 구현 방식을 수정하여 VASP 코드 내에 rVV10 비국소 상관성을 구현한다.
• 다양한 시스템에 기능을 적용한다: 분자 이량체(S22), 고체(50종의 시스템), 백금족 금속 표면에 흡착된 벤젠, 그리고 28종의 다층 물질.
• 내층 격자 상수는 실험값으로 고정하고, 상호작용 에너지를 일관되게 RPA 기준과 비교하기 위해 오직 다층 간 거리만을 최적화한다.
• 표준 DFT 파arameters를 사용한다: 프rojector augmented wave (PAW) 방법, 평면파 기저 집합, 그리고 원자력 수렴 조건이 0.01 eV/Å인 k-점 샘플링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SCAN과 rVV10의 비국소 상관성을 조합하여 강한 화학 결합과 장거리 반데르발스 상호작용을 동시에 정확히 기술할 수 있는 기능을 만들 수 있는가?
• RQ2 SCAN+rVV10은 28종의 다층 물질에 대해 기존 기능들보다 상호작용 에너지와 격자 상수를 더 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 이 기능은 분자, 고체, 금속 표면에 흡착된 시스템을 포함한 다양한 시스템에서 정확도를 유지하는가?
• RQ4 RPA 및 CCSD(T)와 같은 고수준 방법과 비교해 SCAN+rVV10의 상호작용 에너지 및 구조적 파라미터 예측 성능은 어떠한가?
• RQ5 오직 두 개인자리 매개변수만을 사용하는 기능이 계산 효율성을 희생시키지 않고도 다층 물질에 대해 거의 RPA 수준의 정확도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• SCAN+rVV10은 28종의 다층 물질에 대해 상호작용 에너지, 평면내 격자 상수, 다층 간 격자 상수의 세 가지 핵심 파라미터를 매우 정밀하게 재현한다.
• 28종의 물질에 걸쳐 상호작용 에너지의 평균 절대 오차(MAE)가 단 1.5 meV/Å에 불과하여, rVV10과 VV10가 약 40% 과대평가하는 것과 비교해 뚜렷한 승리를 거둔다.
• S22 기준 세트에 대해 SCAN+rVV10은 상호작용 에너지의 평균 절대 오차(MAE)가 1.6 kcal/mol로, 최고 성능을 보이는 기능들과 유사한 정확도를 확보한다.
• Cu, Ag, Au(111) 표면에 흡착된 벤젠의 경우, SCAN+rVV10은 흡착 기하구조와 상호작용 에너지의 경향을 정확히 예측하며, PBE나 순수한 SCAN보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 공유 결합과 vdW 결합을 모두 포함한 다양한 화학 환경에서도 높은 정확도를 유지하며, 다양한 환경에 대한 강건성을 입증한다.
• 표준 DFT 기능들과 유사한 계산 효율성을 유지하면서도, 상호작용 에너지 예측에서 거의 RPA 수준의 정확도를 달성한다.