最优化“调控”区间分离密度泛函理论的研究进展

发展精确、高效的交换-关联泛函一直是密度泛函理论工作者所追求的神圣目标。传统密度泛函被证实在计算原子或分子体系的某些基态和激发态性能时存在困难,而且预测不具有普适性;另一方面,一些高水平方法如耦合簇(CC)理论和基于格林函数(G)和屏蔽库仑作用(W)近似的多体微扰理论(MBPT),尽管相对精确但往往需要消耗昂贵的计算成本,因而其研究体系的尺寸和实用性受到了很大的限制。近年来,"最优化"调控区间分离泛函的发展在一定程度上使得上述问题得到改善,尤其是在消耗较少的计算成本前提下能够达到与高水平方法相媲美的预测精度,引起了越来越多的关注。本文首先简要回顾了密度泛函领域的理论背景,在区间分离密度泛函理论的基础上,重点介绍了最优化"调控"的概念;并且结合近期的理论工作对其在实际计算时的表现进行评价;最后,就最优化"调控"方法的前景和应用进行了展望。

有机半导体的电子电离能、亲和势和极化能的密度泛函理论研究

准确预测有机半导体的能级(如电子电离能和亲和势等)对设计新型有机半导体材料和理解相关机理至关重要。从理论计算的角度看,主要挑战来自于缺少一种不仅能够在定性上合理而且在定量上精确预测,同时并不显著增加计算成本的理论方法。本文中,我们证明了通过结合极化连续介质模型(PCM)和"最优调控"区间分离密度泛函方法能够准确预测一系列有机半导体的电子电离能(IP)、亲和势(EA)和极化能,其预测结果与实验数据吻合得很好。重要的是,经过调控后分子的前线分子轨道能量(即-~εHOMO和-~εLUMO)与对应的IP和EA计算值很接近。调控方法的成功可以进一步归因于其能够根据不同分子体系或同种分子所处的不同状态(气态和固态)"最优"地平衡泛函中分别用于描述电子局域化和离域化的作用。相比而言,其它常见的密度泛函方法由于包含的HF%比例过低(如PBE)或过高(如M06HF和未调控的区间分离泛函),均不能给予合理的预测。因此,我们相信这种PCM-调控的方法能够为研究其它更加复杂的有机体系的能级问题提供一种更加可靠和便捷的理论工具。

胆红素分子激发态性质的密度泛函理论研究

胆红素是人体胆汁中的主要色素,与人体健康密切相关.结合荧光蛋白的胆红素分子代表一类新型荧光发色团,在生物成像和生物传感领域有着重要应用.本文结合隐式溶剂模型和线性响应含时密度泛函理论方法计算了胆红素分子最低单重激发态的垂直激发能、振子强度和垂直发射能.以实验测量值和高水平RIADC(2)计算值作为参考,系统考察了一系列密度泛函方法的预测表现,结果发现最优化调控区间分离密度泛函方法整体表现最优,预测的绝对误差和相对误差最小.这得益于泛函中包含适宜的准确交换项比例能够产生既不离域也不局域的电子结构.在最优化调控泛函方法计算的波函数基础上,基于空穴-电子分析和片段间电荷转移方法定量表征了胆红素分子最低单重激发态,发现其具有杂化局域-电荷转移的激发特征.相信本工作可以为今后研究胆红素分子的激发态动力学过程和光谱性质提供重要理论依据,该最优化调控理论模型也可以为接下来其他生物分子体系的激发态性质研究提供可靠、高效的理论工具.