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Faster Exact Exchange for Solids via occ-RI-K: Application to Combinatorially Optimized Range-Separated Hybrid Functionals for Simple Solids with Pseudopotentials Near the Basis Set Limit

基准集 混合功能 极限(数学) 基础(线性代数) 高斯分布 航程(航空) 带隙 加速 物理 密度泛函理论 统计物理学 算法 数学 数学分析 量子力学 计算机科学 材料科学 几何学 复合材料 操作系统
作者
Joonho Lee,Adam Rettig,Xintian Feng,Evgeny Epifanovsky,Martin Head‐Gordon
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:18 (12): 7336-7349 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.2c00742
摘要

In this work, we developed and showcased the occ-RI-K algorithm to compute the exact exchange contribution in density functional calculations of solids near the basis set limit. Within the Gaussian planewave (GPW) density fitting, our algorithm achieves a 1-2 orders of magnitude speedup compared to conventional GPW algorithms. Since our algorithm is well suited for simulations with large basis sets, we applied it to 12 hybrid density functionals with pseudopotentials and a large uncontracted basis set to assess their performance on band gaps of 25 simple solids near the basis set limit. The largest calculation performed in this work involves 16 electrons and 350 basis functions in the unit cell utilizing a 6 × 6 × 6 k-mesh. With 20-27% exact exchange, global hybrid functionals (B3LYP, PBE0, revPBE0, B97-3, SCAN0) perform similarly with a root-mean-square deviation (RMSD) of 0.61-0.77 eV, while other global hybrid functionals such as M06-2X (2.02 eV) and MN15 (1.05 eV) show higher RMSD due to their increased fraction of exact exchange. A short-range hybrid functional, HSE achieves a similar RMSD (0.76 eV) but shows a notable underestimation of band gaps due to the complete lack of long-range exchange. We found that two combinatorially optimized range-separated hybrid functionals, ωB97X-rV (3.94 eV) and ωB97M-rV (3.40 eV), and the two other range-separated hybrid functionals, CAM-B3LYP (2.41 eV) and CAM-QTP01 (4.16 eV), significantly overestimate the band gap because of their high fraction of long-range exact exchange. Given the failure of ωB97X-rV and ωB97M-rV, we have yet to find a density functional that offers consistent performance for both molecules and solids. Our algorithm development and density functional assessment will serve as a stepping stone toward developing more accurate hybrid functionals and applying them to practical applications.
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