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思想家公社的门口:量子化学·分子模拟·二次元(3)

还有一类特殊的DFT-D校正方法,目前用得没典型DFT-D校正广泛,其中XDM是典型,与DFT-D最大区别是不用预先计算参数,能自动响应实际化学环境并自动计算参数,这个过程也并不耗时,结果也还不错。但是能搭配的泛函有限,形式复杂,计算受力不方便,而且计算时需要体系的波函数而不像DFT-D那样只要有坐标就够了,故用起来麻烦。

关于DFT-D细节的讨论和使用方式见《DFT-D色散校正的使用》()。

4 1ePOT。也叫Dispersion-correcting potentials(DCP)。它是修改单电子有效势算符,在其中引入体系中周围一个个原子产生的等效vdW势(一个长程弱吸引势+一个近程弱互斥势),某种程度上类似于ECP的做法。即是说不像vdW-DF那样考虑它们的电子分布,只是类似DFT-D的做法将周围每个原子视为一个点。凡是支持ECP的量化程序,1ePOT方法都能很容易地纳入,计算量不大,1ePOT可以结合各种已有泛函。1ePOT缺点是用的参数多,每种元素+每种泛函+每种基组都要搞一套参数,经验性太强,而且目前已被参数化的元素太少。虽说对S22测试集性能不错,但有些体系比如乙烷二聚体不好,整体性能不够明朗,尤其对于热化学的能力更不清楚,DOI:10.1002/open.201500192指出其对大体系结果明显不如小体系好。而且没有正确的C/R^6渐进行为。目前也没被量化程序广泛支持。我并非在原理上不赞同这种引入色散校正的方法,只是目前DFT-D经营得明显比1ePOT更好,应用更方便更广泛,效果也毋庸置疑。

另外,注意还有个LC(Long-range corrected),与色散校正没直接关系,勿混淆。LC方法在中、长程完全用HF交换势代替纯DFT泛函交换势(而不是像杂化泛函在全程都用相同的杂化系数),用于解决TDDFT算高阶激发态、电荷转移激发态和算极化率等问题不好的问题,虽然确实使交换势的收敛行为得到大大改善,但目的并不是解决弱相互作用问题,与色散作用最直接相关的长程库仑相关仍没考虑,直接用对色散作用没任何帮助,这正如HF算弱相互作用极差一样(换个角度,从解决弱相互作用最低限度的方法MP2的形式上看,本应包含的虚轨道作用没有被引入校正势,而电子相关问题可以被占据轨道到虚轨道的跃迁模型所等价表述)。但是比如像ωB97X那样用好了LC的话则有效果,弱相互作用能描述得更好(但仍不能指望能代替DFT-D的效果),对其它问题也都有增强,毕竟拟合中还是多了个自由度。


下面我说说我对几种不错的或者值得一提的泛函和一些相关理论方法用于弱相互作用的经验性的看法
PBE:在GGA里几乎算是描述弱相互作用最好的了,尽管仍然不够理想。
B3LYP:老掉牙的泛函,尽管有说法说B3LYP算氢键不是很烂(JPCA,111,10439),但是事实上就是不太理想,只能算是勉强凑合。算范德华作用更别指望它,完全不能描述色散作用。
X3LYP:据说作者徐昕说这泛函算氢键很好,有时确实挺好,但是算堆叠作用据说极差,见Grimme那篇综述。别用。尤其是有了DFT-D3后,X3LYP的存在价值几乎为0了。
B97D:Grimme 2007年的,和D2一起提出来的,B97结合了DFT-D2校正,Gaussian09最初版本中就已经能用。毕竟D3后来被提出来了,而且用更大训练集参数化,B97D就别用了。
revPBE-D3:修改版PBE结合DFT-D3,是GGA-D3中最出色的,对各种问题都很好。当然还是不如色散校正的杂化、双杂化泛函。必须用GGA且可以用色散校正时建议用这个,但更流行的PBE-D3也不比它差。
SSB-D2:其作者鼓吹其很好,一些困难体系别的都不灵它灵。目前还没有被程序广泛支持。注意SSB-D3在Grimme的PCCP文中的比较中表现并不好,一方面是可能D3不适合它(而适合D2),也可能是训练集不同,也可能是作者鼓吹SSB-D时所用的测试集太小不足以说明问题。
M06-2X-D3:即使不用DFT-D3校正,这东西算弱相互作用本身已经很不错(不过对某些pi-pi堆积体系比如苯二聚体可能会严重低估结合能),而且已被广泛支持,而且还可以把弱相互作用效应引入密度中。用了DFT-D3后,各方面都无敌!无论弱相互作用还是计算反应能、原子化能之类,在Grimme的泛函-D3横评中是杂化泛函里最好的。
M11:比M06-2X更新的明尼苏达系列泛函。和M06-2X一样是杂化meta-GGA交换相关泛函,但是这回用了范围分离的杂化形式,在远程100% HF交换成份,近程42.8% HF交换成份。文章测试表明各方面综合性能挺好,和M06-2X半斤八两,在多参考态方面进步较多,在弱相互作用、激发态上没进步。参数拟合自种类全面的数据。不过,根据本人的测试(JMM,19,5387),我发现M11对弱相互作用描述得明显不如其前辈M06-2X!所以不建议用M11。
M11-L:是meta-GGA泛函,不含HF杂化成份。在非杂化、非DFT-D类里它是在弱相互作用上表现最好的泛函,因为它的参数的训练集里面就包含了弱相互作用体系。整体性能,包括弱相互作用都不如M11,但是多参考态强的体系表现很好,远胜其它泛函。
PW6B95-D3:色散校正杂化泛函测试里仅次于M06-2X-D3,如果M06-2X-D3使用有问题,就用这个。同样地,各方面都很好,不仅限于弱相互作用好。不过此泛函被主流量化程序支持得不很广泛。目前能支持的有NWCHEM、Q-Chem、ORCA。
ωB97X-D:Head Gordon于2008年弄的,在ωB97X上加了色散校正并重新参数化,其中阻尼系数函数形式与Grimme D2有所不同。在g09可以直接用wB97XD关键词使用之。由于同时拥有LC和色散校正,比较全能,算弱相互作用、TDDFT都很好,热化学计算也是色散校正杂化泛函里很好的。但色散校正并不像DFT-D那样给原始泛函其它方面也带来好处,ωB97X-D相对于ωB97X只有色散作用有改进,其它无明显改进(可能LC-已经解决了不少中程相关问题,没有DFT-D插足余地了),对TDDFT略微恶化。总之ωB97X-D是很妙的,可以放心地用于任何问题(原理上可代替B3LYP,但由于计算速度明显更慢,所以酌情使用)。
MP2:算氢键很好,弱相互作用总高估,即结合得过于稳定,当然,还是比传统DFT泛函好得多。MP2算饱和分子二聚体,比如甲烷二聚体准确度极高,接近CCSD(T)。MP2比DFT需要更大的基组,由于已经有了更好的双杂化泛函,就没必要用了。
SCS-MP2:算色散作用比MP2好(但是饱和分子二聚体结果却恶化),达到双杂化泛函的水平,但氢键不如MP2,算反应能颇好。其它方面没比MP2有什么提高。至于其它变种,如SOS-MP2、S2-MP2之类还不如MP2。毕竟双杂化泛函整体表现更好,除非密度泛函不能用,比如SIE问题明显时,才应该用这个。
MP2.5:MP2能量加上乘上了0.5的MP3校正能,这个数来自分析计算精度、基组依赖性和理论意义。性能比各种自旋校正的MP2都好,主要是pi-pi堆叠改进明显,弱相互作用号称在中等基组下(不加弥散亦可)就能接近CCSD(T)/CBS。计算量比MP2大一个数量级,但是比CCSD小一个数量级。
MP2.X:MP2.5用在小基组上结果不如在大基组好,为解决此问题,MP2.X对从小到大的基组都通过S66测试集重新拟合了MP2和MP3校正能的权重,这使得不同基组下(乃至低至6-31G*)得到的弱相互作用能精度都相仿佛,和MP2.5/aug-cc-pVTZ下差不多。虽然6-31G*下就能高精度计算弱相互作用很诱人,但对更多的体系的可靠性还有待广泛验证。总之,MP2.X的测试数据虽然不错,但实际应用中是否真的靠谱,是否robust,还很难讲,故慎用。
SCS-CCSD:类似SCS-MP2对MP2的处理。弱相互作用和反应能都比CCSD好不少,接近CCSD(T)。
SCS-MI-CCSD:与SCS-CCSD的区别是这个方法中参数拟合自弱相互作用体系,比SCS-CCSD在弱相互作用计算方面又有了很大进步,是很划算的方法。比MP2.X更昂贵但结果也更好一点。
XYG3:徐昕、Gordard等人2009年搞的双杂化泛函,算主族、反应能、弱相互作用都很好,整体强于其它未经DFT-D校正的双杂化泛函。但是毕竟不含专门的色散校正项,而且MP2在长程只是占据部分成分而非全部,故对范德华作用渐进描述得并不正确。拟合参数也只是拟合G3/99热力学数据,在其它双杂化泛函纷纷用D3后XYG3计算弱相互作用就明显吃亏了。
B2PLYP:最早提出的双杂化泛函。毕竟引入了MP2,弱相互作用明显好于一般DFT。虽然略胜于一般DFT-D(包括M06-2X、wB97XD),但计算耗时明显增加,不划算。个别普通体系还不如普通DFT。
B2PLYP-D3:各方面总是比B2PLYP好,但不一定比最好的杂化泛函-D3更好。
B2GPPLYP-D3:略强于B2PLYP-D3但略弱于DSD-BLYP-D3,双杂化泛函中性能中等。
DSD-BLYP-D3:双杂化泛函DSD-BLYP加上D3色散校正,在四zeta下Grimme号称它是目前综合性能最出色的色散校正泛函,不仅对于弱相互作用,对其它问题也最好。
PWPB95-D3:双杂化泛函,三zeta下它是最棒的色散校正泛函,对各种问题都很好,四zeta下仅次于DSD-BLYP-D3。
CCSD(T):基组外推到CBS时是弱相互作用的金标准。钱多得没处花就用它。
B3LYP-gCP-D3/6-31G*:B3LYP/6-31G*的误差(尤其是对于势垒、弱相互作用等)有两个来源,其一是忽视了色散作用,其二是基组太小而BSSE大。DFT-D3用于弥补色散作用,gCP是基于几何结构来对分子内及分子间进行BSSE校正的方法(计算量极小),二者需同时考虑效果才好,否则误差可能更大。将这两个校正都考虑后,尽管还是和B3LYP-D3结合大基组结果有差距,但是对于6-31G*来说,尤其是计算势垒、弱相互作用,B3LYP-gCP-D3/6-31G*是最合适的,比B3LYP/6-31G*改进明显。关于gCP的更多介绍参见《大体系弱相互作用计算的解决之道》()。
PBEh-3c:使用提升HF成份后的PBE0,结合gCP、DFT-D3和修改版def2-SV(P)基组的组合方法。目的在于以较小计算量就能得到不错弱相互作用计算结果,比起B3LYP-D3-gCP/6-31G*结果更好,测试见DOI: 10.1002/open.201500192。

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