In this work, we discuss where the failure of Kohn-Sham Density Functional Theory (DFT) occurs in weak interactions. We have adopted density-corrected density functional calculations and dispersion correction separately to find out whether the failure is due to density-driven error or functional error. The results of Benzene Ar complex, one of the most common examples of van der Waals interactions, show that DFT calculations of van der Waals interaction suffer from functional error, rather than density-driven error. In addition, errors in DFT calculations of the S22 dataset, which contains small to relatively large (30 atoms) complexes with non-covalent interactions, are governed by functional errors.
We compared methodologies based on the density functional theory (DFT), e.g., time-dependent DFT (TD-DFT), TD-DFT within Tamm-Dancoff approximation (TDA-DFT), and spin-unrestricted DFT (UDFT), that are usually employed to optimize the geometries of ${\pi}$-conjugated molecules in their lowest lying triplet excited ($T_1$) state. As a model system for ${\pi}$-conjugated molecules, we employed 1,2,3,4,5-pentacyano-6-phenyl-benzene. In conjunction with 6-31G(d) basis sets, we made use of gap-tuned range-separated ${\omega}B97X$ functional which is often employed recently in the calculations of molecular excited states. Near the equilibrium geometries, we found that the important difference between the geometries derived at UDFT level and those at TD-DFT or TDA-DFT methods: more stable ground-state energies but higher triplet excitation energies for UDFT derived geometries. In the studies, we discuss such differences in more detail.
We investigate dissociation of diatomic molecules and anions using density functional theory (DFT) and density-corrected density functional theory (DC-DFT). We scan the potential energy curve of CH, NH and NO neutral molecule and its anion with both DFT and DC-DFT (in form of Hartree-Fock DFT, HF-DFT) using various functionals. Using CCSD(T) results as reference, we perform the error decomposition scheme recently proposed by Kim et al. The results show while most neutrals are $functio{\acute{n}}al$ error $domi{\bar{n}}ating$ normal calculations, $CH^-$ and $NO^-$ anions are density-driven error dominating abnormal calculations. In case of $NH^-$, traditional DFT goes to a wrong dissociation limit indicating abnormality, but both HF-DFT and CCSD(T) results need further investigation due to the kinks on the curve.
The importance of including spin-orbit interactions for the correct description of structures and vibrational frequencies of haloiodomethanes is demonstrated by density functional theory calculations with spin-orbit relativistic effective core potentials (SO-DFT). The vibrational frequencies and the molecular geometries obtained by SO-DFT calculations do not match with the experimental results as well as for other cations without significant relativistic effects. In this sense, the present data can be considered as a guideline in the development of the relativistic quantum chemical methods. The influence of spin-orbit effects on the bending frequency of the cation could well be recognized by comparing the experimental and calculated results for $CH_2BrI$ and $CH_2ClI$ cations. Spin-orbit effects on the geometries and vibrational frequencies of $CH_2XI$ (X=F, Cl, Br, and I) neutral are negligible except that C-I bond lengths of haloiodomethane neutral is slightly increased by the inclusion of spin-orbit effects. The $^2A^{\prime}$ and $^2A^{{\prime}{\prime}}$ states were found in the cations of haloiodomethanes and mix due to the spin-orbit interactions and generate two $^2E_{1/2}$ fine-structure states. The geometries of $CH_2XI^+$ (X=F and Cl) from SO-DFT calculations are roughly in the middle of two cation geometries from DFT calculations since two cation states of $CH_2XI$ (X=F and Cl) from DFT calculations are energetically close enough to mix two cation states. The geometries of $CH_2XI^+$ (X=Br and I) from SO-DFT calculations are close to that of the most stable cation from DFT calculations since two cation states of $CH_2XI$(X=Br and I) from DFT calculations are energetically well separated near the fine-structure state minimum.
The accurate prediction of vertical excitation energies is very important for the development of new materials in the dye and pigment industry. A time-dependent density functional theory (TD-DFT) approach coupled with 22 different exchange-correlation functionals was used for the prediction of vertical excitation energies in the halogenated copper phthalocyanine molecules in order to find the most appropriate functional and to determine the accuracy of the prediction of the absorption wavelength and observed spectral shifts. Among the tested functional, B3LYP functional provides much more accurate vertical excitation energies and UV-vis spectra. Our results clearly provide a benchmark calibration of the TD-DFT method for phthalocyanine based dyes and pigments used in industry.
As an aid towards improving the treatment of exchange and correlation effects in electronic structure calculations, it is desirable to have a clear picture of concepts of exchange-correlation functionals in computational calculations. For achieving this aim, it is necessary to perform different theoretical methods for many groups of materials. We have performed hybrid density functional theory (DFT) methods to investigate the density charges of atoms in rings and cages of carbon nanotube. DFT methods are engaged and compared their results. We have also been inclined to see the impression of exchange and correlation on nuclearnuclear energy and electron-nuclear energy and kinetic energy. With due attention to existence methods, B3P86, B3PW91, B1B96, BLYP and B3LYP have used in this work.
Intermolecular interaction energies and conformer geometries of the hydrogen bonded acrylamide dimers have been studied by using the second-order Møller-Plesset (MP2) perturbation theory and the density functional theory (DFT) with 17 density functionals. Dunning's correlation consistent basis sets (up to aug-cc-pVTZ) have been used to study the basis set effects. The DFT calculated interaction energies are compared to the reference energy data calculated by the MP2 method and the coupled cluster method at the complete basis set (CCSD(T)/CBS) limit in order to determine the relative performance of the studied density functionals. Overall, dispersion-energy-corrected density functionals outperform uncorrected ones. The ${\omega}B97XD$ density functional is particularly effective in terms of both accuracy and computational cost in estimating the reference energy values using small basis sets and is highly recommended for similar calculations for larger systems.
Density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TDDFT) calculations, employing the B3LYP method and the LANL2DZ, 6-31G$^*$(LANL2DZ for Tc), 6-31G$^*$(cc-pVDZ-pp for Tc) and DGDZVP basis sets, have been performed to investigate the electronic structures and absorption spectra of the technetium-99m-labeled methylenediphosphonate ($^{99m}Tc$-MDP) complex of the simplest diphosphonate ligand. The bonding situations and natural bond orbital compositions were studied by the Mulliken population analysis (MPA) and natural bond orbital (NBO) analysis. The results indicate that the ${\sigma}$ and ${\pi}$ contributions to the Tc-O bonds are strongly polarized towards the oxygen atoms and the ionic contribution to the Tc-O bonding is larger than the covalent contribution. The electronic transitions investigated by TDDFT calculations and molecular orbital analyses show that the origin of all absorption bands is ascribed to the ligand-to-metal charge transfer (LMCT) character. The solvent effect on the electronic structures and absorption spectra has also been studied by performing DFT and TDDFT calculations at the B3LYP/6-31G$^*$(cc-pVDZ-pp for Tc) level with the integral equation formalism polarized continuum model (IEFPCM) in different media. It is found that the absorption spectra display blue shift in different extents with the increase of solvent polarity.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2016.02a
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pp.142.2-142.2
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2016
The metal intercalation to an organic semiconductor is of importance since the charge transfer between a metal and an organic semiconductor can induce the highly enhanced conductivity for achieving efficient organic electronic devices. In this regard, the changes of the electronic structure of copper phthalocyanine (CuPc) caused by the intercalation of potassium are studied by ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS) and density functional theory (DFT) calculations. Potassium intercalation leads to the appearance of an intercalation-induced peak between the highest molecular occupied orbital (HOMO) and the lowest molecular unoccupied orbital (LUMO) in the valence-band spectra obtained using UPS. The DFT calculations show that the new gap state is attributed to filling the LUMO+1, unlike a common belief of filling the LUMO. However, the LUMO+1 is not conductive because the ${\pi}$-conjugated macrocyclic isoindole rings on the molecule do not make a contribution to the LUMO+1. This is the origin of a metal-insulator transition through heavily potassium doped CuPc.
Density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) calculations have been employed to investigate the molecular structures and absorption spectra of two dyes containing diphenylaniline and 4-diphenylamino-diphenylaniline as donor moiety (TPA1 and TPA3). The geometries indicate that the strong conjugation is formed in the dyes. The electronic structures suggest that the intramolecular charge transfer from the donor to the acceptor occurs, and the electron-donating capability of 4-diphenylamino-diphenylaniline is stronger than that of diphenylaniline. The computed highest occupied molecular orbital (HOMO) energy levels are -5.31 and -4.90 eV, while the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energies are -2.29 and -2.26 eV for TPA1 and TPA3, respectively, revealing that the interfacial charge transfer between the dyes and the semiconductor electrode are electron injection processes from the photon-excited dyes to the semiconductor conduction band. Furthermore, all the experimental absorption bands of TPA1 and TPA3 have been assigned according to the TDDFT calculations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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