The accurate calculation of the band gap of liquid water by means of GW corrections applied to plane-wave density functional theory molecular dynamics simulations

范德瓦尔斯力 密度泛函理论 分子动力学 电子结构 带隙 从头算 平面波 统计物理学 计算化学 液态水 化学 平面(几何) 物理 分子物理学 热力学 凝聚态物理 量子力学 分子 数学 几何学
作者
Changming Fang,Wun-Fan Li,Rik S. Koster,Jiří Klimeš,Alfons van Blaaderen,Marijn A. van Huis
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:17 (1): 365-375 被引量:56
标识
DOI:10.1039/c4cp04202f
摘要

Knowledge about the intrinsic electronic properties of water is imperative for understanding the behaviour of aqueous solutions that are used throughout biology, chemistry, physics, and industry. The calculation of the electronic band gap of liquids is challenging, because the most accurate ab initio approaches can be applied only to small numbers of atoms, while large numbers of atoms are required for having configurations that are representative of a liquid. Here we show that a high-accuracy value for the electronic band gap of water can be obtained by combining beyond-DFT methods and statistical time-averaging. Liquid water is simulated at 300 K using a plane-wave density functional theory molecular dynamics (PW-DFT-MD) simulation and a van der Waals density functional (optB88-vdW). After applying a self-consistent GW correction the band gap of liquid water at 300 K is calculated as 7.3 eV, in good agreement with recent experimental observations in the literature (6.9 eV). For simulations of phase transformations and chemical reactions in water or aqueous solutions whereby an accurate description of the electronic structure is required, we suggest to use these advanced GW corrections in combination with the statistical analysis of quantum mechanical MD simulations.

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