Density functionals for surface science: Exchange-correlation model development with Bayesian error estimation

范德瓦尔斯力 密度泛函理论 过度拟合 分子间力 统计物理学 分子内力 计算机科学 应用数学 物理 数学 计算化学 化学 量子力学 机器学习 分子 人工神经网络
作者
Jess Wellendorff,Keld T. Lundgaard,Andreas Møgelhøj,Vivien Petzold,David D. Landis,Jens K. Nørskov,Thomas Bligaard,Karsten W. Jacobsen
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:85 (23) 被引量:1370
标识
DOI:10.1103/physrevb.85.235149
摘要

A methodology for semiempirical density functional optimization, using regularization and cross-validation methods from machine learning, is developed. We demonstrate that such methods enable well-behaved exchange-correlation approximations in very flexible model spaces, thus avoiding the overfitting found when standard least-squares methods are applied to high-order polynomial expansions. A general-purpose density functional for surface science and catalysis studies should accurately describe bond breaking and formation in chemistry, solid state physics, and surface chemistry, and should preferably also include van der Waals dispersion interactions. Such a functional necessarily compromises between describing fundamentally different types of interactions, making transferability of the density functional approximation a key issue. We investigate this trade-off between describing the energetics of intramolecular and intermolecular, bulk solid, and surface chemical bonding, and the developed optimization method explicitly handles making the compromise based on the directions in model space favored by different materials properties. The approach is applied to designing the Bayesian error estimation functional with van der Waals correlation (BEEF--vdW), a semilocal approximation with an additional nonlocal correlation term. Furthermore, an ensemble of functionals around BEEF--vdW comes out naturally, offering an estimate of the computational error. An extensive assessment on a range of data sets validates the applicability of BEEF--vdW to studies in chemistry and condensed matter physics. Applications of the approximation and its Bayesian ensemble error estimate to two intricate surface science problems support this.
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