Hoppa till innehåll
EN In english

Modern, icke-lokal täthetsfunktionalteori for material

Diarienummer
ITM17-0324
Projektledare
Hyldgaard, Per
Start- och slutdatum
190101-220630
Beviljat belopp
6 860 000 kr
Förvaltande organisation
Chalmers University of Technology
Forskningsområde
Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

We propose to stimulate major progress in materials science and materials-based technologies, namely, by securing a general-purpose theory tool for concurrent descriptions of the behavior of both hard (traditional) materials and soft (organics) matter. At present there is no fully implemented tool that is free of parameters and capable of characterizing general types of materials interfaces and systems. Here we propose (A) to overcome this limitation for Swedish and international materials theory by fully implementing our highly successful, recent svdW-DF-cx formulation of modern nonlocal-correlation density functional theory (DFT), and of its hybrid extension, and (B) to launch our method breakthrough in an open source framework that also provides DFT practitioners access to rigorous benchmarking. The svdW-DF-cx formulation is presently, in effect, limited to plane-wave codes and it uses an incomplete formulation of so-called pseudopotentials. An all-electron (quantum-chemistry type) code implementation is desirable as it will rest on a fully consistent formulation of our svdW-DF-cx functional and will thus allow strong tests of the svdW-DF-cx performance also on the types of molecular problems that are typical of chemistry research. We also plan to provide fully consistent pseudopotential handling to further improve the accuracy for extended systems. Finally, we plan to set up new benchmark sets of biomolecular and molecular adsorption problems.

Populärvetenskaplig beskrivning

Samhällsutvecklingen gynnas av snabba framsteg inom materialforskningen. Det behövs en kostnadseffektiv teori som kan förutsäga materialfunktion utifrån atompositioner. Täthetsfunktionalteorin gör det möjligt att beräkna materials egenskaper via elektronernas fördelning (”täthet”) på atomnivå. Täthetsfunktionalteori är i sig lika exakt som kvantfysikens Schrödingerekvation, men i praktiken måste vi förenkla beskrivningen av elektronernas rörelse. Det finns sedan tidigare en approximation som är bra för hårde material med hög elektrontäthet. Den har skapat stora framgångar för till exempel stålindustrin i Sverige. För att möjliggöra fortsätta materialframgångar behövs dock en ny materialteori som också är noggrann i beskrivningen av mjuka material med glesare elektronfördelning, t.ex. molekylsystem. Den stora utmaningen är att hitta en approximation som på en och samma gång kan beskriva mjuka och hårda delar av samma materialsystem. Här finns ett stort potential för framsteg, då en sådan teori kan stärka utvecklingen inom många områden, t.ex. molekylbaserad energilagring, medicin, och organiska solceller. I flera av dessa problem behöver vi veta hur organiska molekyler växelverkar med halvledarsubstrat eller elektriska kontakter. En modern approximation av täthetsfunktionalteori har sedan sekelskiftet växt fram. Vi har bidragit väsentligt genom att skapa täthetsfunktionalmetoden vdW-DF, som tar med även växelverkan mellan de olika delarna i mjuka materialsystem. Inom vdW-DF metoden bestäms, i princip, allt av kvant- och mångpartikelteori och den har därför potential att fungera för alla typer av problem. Vi har systematiskt förfinat metoden i en konsistent version kallad svdW-DF-cx som vi (och andra) har dokumenterat är noggrann för alla typer av material. Den står i dag inför ett antal slutliga förbättringar som måste till, så som en konsistent implementering i kod för materialberäkningar. Vi vill här slutföra och lansera svdW-DF-cx för att ge svenska materialforskare ett generellt verktyg för ny atomskalig materialteori och skapa tillit till metoden. Detta kommer vi göra genom att (1) uppdatera vårt kodbibliotek till den typ av koder som kemister föredrar, (2) se till att även materialfysikere (som typiskt använder kod med så kallade pseudopotentialer) får fördel av den förbättrade noggrannheten, och (3) att ta fram nya testsystem för bindningar inom biologiska system (bindning mellan DNA baspar) och vid adsorption av organiska molekyler.