Tkatchenko-Scheffler van der Waals correction method with and without self-consistent screening applied to solids

范德瓦尔斯力 范德瓦尔斯半径 范德瓦尔斯株 从头算 材料科学 热力学 石墨 物理 结晶学 化学 量子力学 分子 复合材料
作者
Tomáš Bučko,Sébastien Lebègue∥,J. Hafner,János G. Ángyán
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:87 (6) 被引量:370
标识
DOI:10.1103/physrevb.87.064110
摘要

The method proposed by Tkatchenko and Scheffler [Phys. Rev. Lett. 102, 073005 (2009)] to correct density functional calculations for the missing van der Waals interactions is implemented in the Vienna ab initio simulation package (vasp) code and tested on a wide range of solids, including noble-gas crystals, molecular crystals ($\ensuremath{\alpha}$-N${}_{2}$, sulfur dioxide, benzene, naphthalene, cytosine), layered solids (graphite, hexagonal boron nitride, vanadium pentoxide, MoS${}_{2}$, NbSe${}_{2}$), chain-like structures (selenium, tellurium, cellulose I), ionic crystals (NaCl, KI), and metals (nickel, zinc, cadmium). In addition to the original formulation expressing the van der Waals (vdW) corrections as pairwise potentials whose strength is derived from the rescaled polarizabilities of the neutral free atoms, the self-consistently screened ($\text{TS}+\text{SCS}$) [Phys. Rev. Lett. 108, 236402 (2012)] variant of the method involving electrodynamic response effects has been examined. Analytical expressions for the forces acting on the atoms and for the components of the stress tensor needed for the relaxation of the volume and shape of the unit cell using the $\text{TS}+\text{SCS}$ method are derived. While the calculated structures are reasonably close to experiment, the van der Waals corrections to the binding energies are often found to be overestimated in comparison with experimental data. The $\text{TS}+\text{SCS}$ approach leads to significantly better results in some problematic cases, such as the binding energy of graphite. However, there is room for further improvements, in particular for strongly ionic systems.
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