PNAS：预测化学与固体物理性质的屏蔽杂化泛函新发展

目前，对各类固体材料体系的研究受到了科学家的广泛关注，对其性质的探索也日益深入。密度泛函理论方法是对固体材料性质预测的重要手段。这些性质包括半导体材料的带隙（band gap）、能带结构（band structure）、凝聚态体系的晶格常数（lattice constant）、体积模量（bulk modulus）、各类固体材料的结构信息、固态体系内聚能（cohesive energy）等等。近三十多年来，已有几百种不同的密度泛函被提出。近日，国际期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上一篇题为“M06-SX screened-exchange density functional for chemistry and solid-state physics”的研究论文提出了一个新的屏蔽杂化密度泛函——M06-SX，该方法可广泛的应用于主族元素和过渡金属化学和凝聚态物理等多领域的理论研究。

密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，在物理和化学上都有广泛的应用，是凝聚态物理计算材料学和计算化学领域最常用的方法之一。Walter Kohn凭借其对密度泛函理论的贡献分享了1998年的诺贝尔化学奖。随着密度泛函理论的发展，其对固体材料性质的预测也越来越精准。John P. Perdew等人在1996年提出的PBE方法是目前在物理材料领域应用最广泛的密度泛函。但在对半导体材料和发光材料的计算中，其带隙被严重低估，甚至对有的体系计算出的带隙为零。而目前在化学领域应用最广的全局杂化泛函，如B3LYP和M06-2X，但对于采用平面波基组计算的周期性固态体系，非局域的Hartree-Fock（HF）交换能计算量过大。且长程HF交换能对固体，尤其是金属，不具有正确的物理意义。2003年，Jochen Heyd、Gustavo E. Scuseria 和Matthias Ernzerhof提出了新的基于屏蔽库仑势（screened Coulomb potential）的用于计算体系的交换能的密度泛函可以打破这一瓶颈，这种方法就被称为屏蔽杂化泛函（screened-exchange hybrid functional）。该方法在短程加入一定比例的HF交换能而屏蔽了长程的非局域HF交换能，减少了全局杂化泛函对周期性固态体系的计算量同时保持加入HF交换能的优势，对固体材料晶格常数和带隙等性质有较高的精度，符合同时适用于化学和物理体系的密度泛函的发展方向。

M06-SX泛函在作者之前发展的revM06-L泛函基础上，加入屏蔽长程的Hartree-Fock交换能。其计算量小于全局杂化泛函，并且能够得到与之相当的预测精确度，不仅对小分子的化学反应能量具有较高的预测精确度，还能有效地预测固态体系的带隙和晶格常数等特性。M06-SX方法对明尼苏达数据集2019（Minnesota Database, 2019）中418个原子分子能量（AME418）的总体平均绝对误差仅为2.85 kcal/mol；对半导体材料带隙能数据集SBG31，其平均绝对误差为0.27 eV，只比表现最好的HSE12s的平均绝对误差大0.02 eV；对纯主族元素体系和含过渡金属体系的解离能数据集DE51，M06-SX是测试的98个泛函中表现最好的，平均绝对误差仅为2.40 kcal/mol。它还对非键相互作用能、化学反应能垒、及电子激发能等都有很高的准确度。因此，M06-SX泛函对于主族元素和过渡金属化学和固态体系物理性质具有广泛的准确性。并且由于其屏蔽杂化泛函的性质，对于大分子和周期性体系，它比全局杂化泛函更具计算优势。

该项工作华东师范大学何晓研究员与美国明尼苏达大学Donald Truhlar教授为共同通讯作者，湖南师范大学王颖教授为第一作者。

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M06-SX Screened-exchange Density Functional for Chemistry and Solid-state Physics

Ying Wang, Pragya Verma, Lujia Zhang, Yaqi Li, Zhonghua Liu, Donald G. Truhlar*, Xiao He*

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2020, 117, 2294-2301. DOI: 10.1073/pnas.1913699117

何晓研究员简介

何晓，华东师范大学化学与分子工程学院研究员，2003年与2006年分别于南京大学获得本科和硕士学位，2010年于美国佛罗里达大学获得博士学位。2011年在美国伊利诺伊大学香槟分校从事博士后工作。2011年8月起就职于华东师范大学。

研究领域是复杂大分子体系的理论与计算化学方法的发展与应用。在相关领域发表SCI论文80余篇，包括以通讯或第一作者发表的PNAS，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem. Sci.，Acc. Chem. Res.，J. Chem. Theory Comput.等。获授权发明专利1项，软件著作权4项，参与撰写四本英文书籍，2篇文章入选全球ESI 1%高被引论文。曾获得中国化学会唐敖庆理论化学青年奖，2019年国家优秀青年科学基金等。

王颖教授简介

王颖，湖南师范大学生命科学学院“潇湘学者”特聘教授，2013年于四川大学本科毕业，2018年于华东师范大学博士毕业（博士阶段导师为何晓研究员和张增辉教授），同年进入湖南师范大学生命科学学院任校聘副教授，并于2020年获聘为湖南师范大学“潇湘学者”特聘教授，是目前湖南师范大学最年轻的特聘教授。

目前已在PNAS，J. Phys. Chem. Lett.，J. Chem. Theory Comput.等国际著名杂志上发表SCI论文10余篇。2019年获得湖南省高层次人才聚集工程——创新人才项目和湖南师范大学“世承人才计划”青年优秀人才项目支持。