[论文解读] SCAN+rVV10: A promising van der Waals density functional

Haowei Peng, Zeng-hui Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用 193

一句话总结

该论文提出SCAN+rVV10，一种混合密度泛函，结合了强约束适当归一化（SCAN）元-GGA与rVV10范德华相互作用的非局域相关项，仅使用两个经验参数。该泛函在预测28种层状材料的层间结合能、面内及层间晶格常数方面表现出卓越的准确性，且计算成本与现有泛函相当。

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.

研究动机与目标

• 解决在密度泛函理论（DFT）中准确描述层状材料中长程范德华（vdW）相互作用的长期挑战。
• 克服SCAN泛函的局限性，该泛函虽能捕捉中程vdW相互作用，但忽略了长程贡献。
• 改进现有vdW泛函（如rVV10和VV10），这些泛函相对于RPA基准值高估了约40%的层间结合能。
• 开发一种通用、计算高效的泛函，能够准确处理各种体系中的强化学键和弱vdW相互作用。

提出的方法

• 将满足精确约束并改善非局域性的SCAN元-GGA泛函，与rVV10泛函的非局域相关部分相结合。
• 仅使用两个经验参数：rVV10原始参数C=0.0093和修正后的b=6.3，确保经验参数最少。
• 在VASP代码中通过Klimeš等人提出的vdW-DF实现的修改版本，实现rVV10的非局域相关。
• 将该泛函应用于广泛体系：分子二聚体（S22）、固体（50种体系）、苯在贵金属表面的吸附，以及28种层状材料。
• 固定层内晶格常数为实验值，仅优化层间距以确保与RPA基准一致地计算结合能。
• 使用标准DFT参数：投影缀加波（PAW）方法、平面波基组，以及k点采样，原子受力收敛标准为0.01 eV/Å。

实验结果

研究问题

• RQ1 将SCAN与rVV10的非局域相关结合，能否产生一种能准确描述强化学键和长程范德华相互作用的泛函？
• RQ2 SCAN+rVV10在预测28种层状材料的层间结合能和晶格常数方面是否优于现有泛函？
• RQ3 该泛函在包括分子、固体和金属表面吸附体系在内的多样化体系中，其准确性在多大程度上得以保持？
• RQ4 与RPA和CCSD(T)等高阶方法相比，SCAN+rVV10在结合能和结构参数方面的表现如何？
• RQ5 仅使用两个经验参数的泛函能否在不牺牲计算效率的前提下，实现接近RPA精度的层状材料结合能预测？

主要发现

• SCAN+rVV10以高保真度准确再现了28种层状材料的三个最基本参数——层间结合能、面内晶格常数和层间晶格常数。
• 在28种材料中，层间结合能的平均绝对误差（MAE）仅为1.5 meV/Å，显著优于rVV10和VV10，后者高估结合能约40%。
• 在S22基准集上，SCAN+rVV10在相互作用能上的平均绝对误差（MAE）为1.6 kcal/mol，与性能最佳的泛函相当。
• 在苯吸附于Cu、Ag和Au(111)表面的体系中，SCAN+rVV10正确预测了吸附几何构型和结合能趋势，优于PBE和SCAN本身。
• 该方法在共价键合和vdW键合体系中均保持高精度，展现出在多样化化学环境中的鲁棒性。
• 该泛函在结合能预测中达到接近RPA的精度，同时保持了与标准DFT泛函相当的计算效率。