Single-reference ab initio methods for the calculation of excited states of large molecules

Chemical Reviews

Volumn 105, Issue 11, 2005, Pages 4009-4037

  Dreuw, Andreas ^a   Head Gordon, Martin ^b  

^a GOETHE UNIVERSITY   (Germany)

^b UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CALCULATIONS; CHARGE TRANSFER; ELECTRON TRANSITIONS; ELECTRONIC DENSITY OF STATES; ELECTRONIC PROPERTIES; GROUND STATE; INTEGRAL EQUATIONS; MOLECULAR DYNAMICS; PROBABILITY DENSITY FUNCTION;

EXCITED STATES; MOLECULAR ORBITALS; TIME-DEPENDENT DENSITY FUNCTIONAL THEORY; TRANSITION DENSITY; WAVE-FUNCTION-BASED METHODS;

MOLECULES;

EID: 28544448728     PISSN: 00092665     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr0505627     Document Type: Review

References (155)

1. Szabo, A.; Ostlund, N. S. Modern Quantum Chemistry; MacMillan Publishing: New York, 1982.
2. McWeeny, R.; Sutcliffe, B. T. Methods of Molecular Quantum Mechanics; Academic Press: London, 1969.
3. Møller, C.; Plesset, M. S. Phys. Rev. 1934, 46, 618.
4. Bartlett, R. J. Annu. Rev. Phys. Chem. 1981, 32, 359.
5. Carsky, P. In Encyclopedia of Computational Chemistry; Schleyer, P. v. R., Clark, N. L., Gasteiger, J., H. F. S., III, Schreiner, P. R., Eds.; Wiley: Chichester, U.K., 1998; p 485.
6. Kutzelnigg, W. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 1988, 181, 33.
7. Gauss, J. In Encyclopedia of Computational Chemistry; Schleyer, P. v. R., Clark, N. L., Gasteiger, J., H. F. S., III, Schreiner, P. R., Eds.; Wiley: Chichester, U.K., 1998; p 615.
8. Bartlett, R. J., Ed. Modern Ideas in Coupled-Cluster Methods; World Scientific: Singapore, 1997.
9. Parr, R. G.; Yang, W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford Science Publication: New York, 1989.
10. Dreizler, R. M.; Gross, E. K. U. Density functional theory; Springer-Verlag: Heidelberg, Germany, 1995.
11. Baerends, E. J.; Gritsenko, O. V. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 5383.
12. Hohenberg, P.; Kohn, W. Phys. Rev. 1964, B136, 864.
13. Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev. 1965, A140, 1133.
14. Buenker, R. J.; Peyerimhoff, S. D.; Butscher, W. Mol. Phys. 1978, 35, 771.
15. Buenker, R. J.; Peyerimhoff, S. D.; Bruna, P. J. In Computational Theoretical Organic Chemistry; Csizmadia, I. G., Daudel, R., Eds.; Reidel: Dordrecht, The Netherlands, 1981; p 91.
16. McDonall, J. J.; Peasley, K.; Robb, M. A. Chem. Phys. Lett. 1988, 148, 183.
17. Andersson, K.; Malmqvist, P.-Å.; Roos, B. O. J. Chem. Phys. 1992, 96, 1218.
18. Roos, B. O. Adv. Chem. Phys. 1987, 69, 399.
19. Andersson, K.; Roos, B. O. In Modern Electronic Structure Theory; Yarkony, D. R., Ed.; World Scientific: New York, 1995; Vol. 1, p 55.
20. Emrich, K. Nucl. Phys. A 1981, 351, 379.
21. Sekino, H.; Bartlett, R. J. Int. J. Quantum Chem. Symp. 1984, 18, 255.
22. Geertsen, J.; Rittby, M.; Bartlett, R. J. Chem. Phys. Lett. 1989, 164, 57.
23. Monkhorst, H. J. Int. J. Quantum Chem. Symp. 1977, 11, 421.
24. Dalgaard, E.; Monkhorst, H. J. Phys. Rev. A 1983, 28, 1217.
25. Koch, H.; Christiansen, O.; Jørgensen, P. Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 75.
26. Christiansen, O.; Gauss, J.; Schimmelpfennig, B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2000, 2, 965.
27. Nakatsuji, H.; Hirao, K. J. Chem. Phys. 1978, 68, 2053.
28. Gromov, E. V.; Trofimov, A. B.; Vitkovskaja, N. M.; Schirmer, J.; Köppel, H. J. Chem. Phys. 2003, 119, 737.
29. Trofimov, A. B.; Stelter, G.; Schirmer, J. J. Chem. Phys. 2002, 117, 6402.
30. Schirmer, J. Phys. Rev. A 1982, 26, 2395.
31. Head-Gordon, M.; Rico, R. J.; Oumi, M.; Lee, T. J. Chem. Phys. Lett. 1994, 219, 21.
32. Head-Gordon, M.; Grana, A. M.; Maurice, D.; White, C. A. J. Phys. Chem. 1995, 99, 14261.
33. Christiansen, O.; Koch, H.; Jørgensen, P. Chem. Phys. Lett. 1995, 243, 409.
34. Haettig, C.; Weigend, F. J. Chem. Phys. 2000, 113, 5154.
35. del Bene, J.; Ditchfield, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1971, 55, 2236.
36. Raghavachari, K.; Trucks, G. W.; Pople, J. A.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1989, 157, 479.
37. Schirmer, J.; Trofimov, A. B. J. Chem. Phys. 2004, 120, 11449.
38. Fetter, A. L.; Walecka, J. D. Quantum Theory of Many-Particle Systems; McGraw-Hill: New York, 1971.
39. Runge, E.; Gross, E. K. U. Phys. Rev. Lett. 1984, 52, 997.
40. Gross, E. K. U.; Kohn, W. Phys. Rev. Lett. 1985, 55, 2850.
41. Gross, E. K. U.; Kohn, W. Adv. Quantum Chem. 1990, 21, 255.
42. Casida, M. E. In Recent Advances in Density Functional Methods, Part I; Chong, D. P., Ed.; World Scientific: Singapore, 1995; p 155.
43. van Leeuwen, R. Int. J. Mod. Phys. B 2001, 15, 1969.
44. Marques, M. A. L.; Gross, E. K. U. Annu. Rev. Phys. Chem. 2004, 55, 427.
45. Foresman, J. B.; Head-Gordon, M.; Pople, J. A.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1992, 96, 135.
46. Maurice, D.; Head-Gordon, M. Mol. Phys. 1999, 96, 1533.
47. Kong, J.; White, C. A.; Krylov, A. I.; Sherrill, D.; Adamson, R. D.; Furlani T. R.; Lee, M. S.; Lee, A. M.; Gwaltney, S. R.; Adams, T. R.; Ochsenfeld, C.; Gilbert, A. T. B.; Kedziora, G. S.; Rassolov, V. A.; Maurice, D. R.; Nair, N.; Shao, Y.; Basley, N. A.; Maslen, P. E.; Dombroski, J. P.; Daschel, H.; Zhang, W.; Korambath, P. P.; Baker, J.; Byrd, E. F. C.; Van Voorhis, T.; Oumi, M.; Hirata, S.; Hsu, C.-P.; Ishikawa, N.; Florian, J.; Warshel, A.; Johnson, B. G.; Gill, P. M. W.; Head-Gordon, M.; Pople, J. A. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1532.
48. CADPAC6: The Cambridge Analytic Derivatives Package Issue 6, Cambridge, England, 1992. A suite of quantum chemistry programs developed by R. D. Amos with contributions from Alberts, I. L.; Andrews, J. S.; Colwell, S. M.; Handy, N. C.; Jayatilaka, D.; Knowles, P. J.; Kobayashi, R.; Koga, N.; Laidig, K. E.; Maslen, P. E.; Murray, C. W.; Rice, J. E.; Sanz, J.; Simandiras, E. D.; Stone, A. J.; Su, M.-D.
49. Alrichs, R. TURBOMOLE, version 5.7.1; University of Karlsruhe: Germany, 2004.
50. Hirata, S.; Head-Gordon, M.; Bartlett, R. J. J. Chem. Phys. 1999, 111, 10774.
51. Stanton, J. F.; Gauss, J.; Ishikawa, N.; Head-Gordon, M. J. Chem. Phys. 1995, 103, 4160.
52. Thomas, W. Naturwissenschaften 1925, 13, 627.
53. Reiche, F.; Thomas, W. Z. Phys. 1925, 34, 510.
54. Kuhn, W. Z. Phys. 1925, 33, 408.
55. Davidson, E. R. J. Comput. Phys. 1975, 17, 87.
56. Dirac, P. A. M. Proc. Cambridge Philos. Soc. 1930, 26, 376.
57. Frenkel, J. Wave Mechanics, Advanced General Theory; Clarendon Press: Oxford, U.K., 1934.
58. Heinrichs, J. Chem. Phys. Lett. 1968, 2, 315.
59. Ring, P.; Schuck, P. The nuclear many-body problem; Springer-Verlag: Heidelberg, Germany, 1980.
60. Thouless, D. J. The Quantum Mechanics of Many Body Systems; Academic Press: New York, 1972.
61. Sekino, H.; Bartlett, R. J. J. Chem. Phys. 1986, 85, 976.
62. Čižek, J.; Paldus, J. J. Chem. Phys. 1967, 47, 3976.
63. McLachlan, A. D.; Ball, M. A. Rev. Mod. Phys. 1964, 36, 844.
64. Seeger, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1977, 66, 3045.
65. Van Caillie, C.; Amos, R. D. Chem. Phys. Lett. 2000, 317, 159.
66. Furche, F.; Ahlrichs, R. J. Chem. Phys. 2002, 117, 7433.
67. Eschrig, H. The Fundamentals of Density Functional Theory; Teubner Verlag: Stuttgart, Germany, 1996.
68. Koch, W.; Holthausen, M. C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2000.
69. Baym, G., Ed. Lecture Notes on Quantum Mechanics; Perseus Publishing: Cambridge, Massachusetts 1974.
70. Atkins, P. W. Molecular Quantum Mechanics; Oxford University Press: Oxford, U.K., 1983.
71. van Leeuwen, R. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 3863.
72. Yabana, K.; Bertsch, G. F. Phys. Rev. B 1996, 54, 4484.
73. Marques, M. A. L.; Castro, A.; Bertsch, G. F.; Rubio, A. Comput. Phys. Commun. 2003, 151, 60.
74. Castro, A.; Marquez, M. A. L.; Alonso, J. A.; Bertsch, G. F.; Yabana, K.; Rubio, A. J. Chem. Phys. 2002, 116, 1930.
75. Marques, M. A. L.; Lopez, X.; Varsano, D.; Castro, A.; Rubio, A. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 258101.
76. Hirata, S.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1999, 302, 375.
77. Petersilka, M.; Grossmann, U. J.; Gross, E. K. U. Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 1212.
78. Hirata, S.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1999, 314, 291.
79. Hsu, C.-P.; Hirata, S.; Head-Gordon, M. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 451.
80. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
81. Vosko, S. H.; Wilk, L.; Nusair, M. Can. J. Phys. 1980, 58, 1200.
82. Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098.
83. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
84. Perdew, J. P.; Burke, K.; Enzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.
85. Perdew, J. P.; Burke, K.; Enzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1396.
86. Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 33, 8822.
87. Dreuw, A.; Fleming, G. R.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2003, 5, 3247.
88. Dunietz, B. D.; Dreuw, A.; Head-Gordon, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 5623.
89. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1988, 88, 2547.
90. Olsen, J.; Jørgen, H.; Jensen, A.; Jørgensen, P. J. Comput. Phys. 1988, 74, 265.
91. Eichkorn, K.; Treutler, O.; Öhm, H.; Häser, M.; R, A. Chem. Phys. Lett. 1995, 240, 283.
92. Jamorski, C.; Casida, M. E.; Salahub, D. R. J. Chem. Phys. 1996, 104, 5134.
93. Bauernschmitt, R.; Häser, M.; Treutler, O.; Ahlrichs, R. Chem. Phys. Lett. 1997, 264, 573.
94. Savin, A.; Umrigar, C. J.; Gonze, X. Chem. Phys. Lett. 1998, 288, 391.
95. Gritsenko, O.; Baerends, E. J. J. Chem. Phys. 2004, 121, 655.
96. Cai, Z.-L.; Sendt, K.; Reimers, J. R. J. Chem. Phys. 2002, 117, 5543.
97. Grimme, S.; Parac, M. Chem. Phys. Chem. 2003, 3, 292.
98. Cave, R. J.; Zhang, F.; Maitra, N. T.; Burke, K. Chem. Phys. Lett. 2004, 389, 39.
99. Maitra, N. T.; Zhang, F.; Cave, R. J.; Burke, K. J. Chem. Phys. 2004, 120, 5932.
100. Tozer, D. J.; Amos, R. D.; Handy, N. C.; Roos, B. J.; Serrano-Andres, L. Mol. Phys. 1999, 97, 859.
101. Dreuw, A.; Weisman, J. L.; Head-Gordon, M. J. Chem. Phys. 2003, 119, 2943.
102. Dreuw, A.; Head-Gordon, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4007.
103. Sobolewski, A. L.; Domcke, W. Chem. Phys. 2003, 294, 73.
104. van Leeuwen, R.; Baerends, E. J. Phys. Rev. A 1994, 49, 2421.
105. Grüning, M.; Gritsenko, O. V.; van Gisbergen, S. J. A.; Baerends, E. J. J. Chem. Phys. 2001, 114, 652.
106. Görling, A. Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 5459.
107. Ivanov, S.; Hirata, S.; Bartlett, R. J. Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 5455.
108. Della Sala, F.; Görling, A. Int. J. Quantum Chem. 2002, 91, 131.
109. Pople, J. A.; Binkley, J. S.; Seeger, R. Int. J. Quantum Chem. Symp. 1976, 10, 1.
110. Van Caillie, C.; Amos, R. D. Chem. Phys. Lett. 1999, 308, 249.
111. Dreuw, A.; Fleming, G. R.; Head-Gordon, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 6500.
112. Tozer, D. J. J. Chem. Phys. 2005, 119, 12697.
113. Perdew, J. P.; Parr, R. G.; Levy, M.; Balduz, J. L., Jr. Phys. Rev. Lett. 1982, 49, 1691.
114. Tawada, Y.; Tsuneda, T.; Yanagisawa, S.; Yanai, T.; Hirao, K. J. Chem. Phys. 2004, 1210, 8425.
115. Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004, 393, 51.
116. Baer, R.; Neuhauser, D. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 043002.
117. Stoll, H.; Savin, A. In Density Functional Methods in Physics; Dreizler, R. M., da Providencia, J., Eds.; Plenum: New York, 1985; p 177.
118. Savin, A. In Recent Developments and Applications of Modern Density Functional Theory; Seminario, J. M., Ed.; Elsevier: Amsterdam, 1996.
119. Leininger, T.; Stoll, H.; Werner, H.-J.; Savin, A. Chem. Phys. Lett. 1997, 275, 151.
120. Iikura, H.; Tsuneda, T.; Yanai, T.; Hirao, K. J. Chem. Phys. 2001, 115, 5340.
121. van Faassen, M.; de Boeij, P. L.; van Leeuwen, R.; Berger, J. A.; Snijders, J. G. J. Chem. Phys. 2003, 118, 1044.
122. Baerends, E. J.; Autschbach, J.; Brces, A.; Bo, C.; Boerrigter, P. M.; Cavallo, L.; Chong, D. P.; Deng, L.; Dickson, R. M.; Ellis, D. E.; Fan, L.; Fischer, T. H.; Fonseca Guerra, C.; van Gisbergen, S. J. A.; Groeneveld, J. A.; Gritsenko, O. V.; Grning, M.; Harris, F. E.; van den Hoek, P.; Jacobsen, H.; van Kessel, G.; Kootstra, F.; van Lenthe, E.; McCormack, D. A.; Osinga, V. P.; Patchkovskii, S.; Philipsen, P. H. T.; Post, D.; Pye, C. C.; Ravenek, W.; Ros, P.; Schipper, P. R. T.; Schreckenbach, G.; Snijders, J. G.; Sola, M.; Swart, M.; Swerhone, D.; te Velde, G.; Vernooijs, P.; Versluis, L.; Visser, O.; van Wezenbeek, E.; Wiesenekker, G.; Wolff, S. K.; Woo, T. K.; Ziegler, T. ADF2004.01, SCM, Theoretical Chemistry; Vrije Universiteit: Amsterdam, The Netherlands, http://www.sem.com.
123. Martin, R. L. J. Chem. Phys. 2003, 118, 4775.
124. Amos, A. T.; Hall, G. G. Proc. R. Soc. A 1961, 263, 483.
125. Batista, E. R.; Martin, R. L. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 3128.
126. Clark, A. E.; Martin, R. L.; Hay, P. J.; Green, J. C.; Jantunen, K. C.; Kiplinger, J. L. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5481.
127. Climent, T.; Gonzalez-Luque, R.; Merchan, M. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 6995.
128. Serrano-Andres, L.; Merchan, M.; Jablonski, M. J. Chem. Phys. 2003, 119, 4294.
129. Molina, V.; Merchan, M. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 3745.
130. Wiberg, K. B.; Hadad, C. M.; Foresman, J. B.; Chupka, W. A. J. Phys. Chem. 1992, 96, 10756.
131. Grana, A. M.; Lee, T. J.; Head-Gordon, M. J. Phys. Chem. 1995, 99, 3493.
132. Halasinski, T. M.; Weisman, J. L.; Ruiterkamp, R.; Lee, T. J.; Salama, F.; Head-Gordon, M. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 3660.
133. Vaswani, H. M.; Hsu, C. P.; Head-Gordon, M.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 7940.
134. Weisman, J. L.; Head-Gordon, M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11686.
135. Oumi, M.; Maurice, D.; Head-Gordon, M. Spectrochim. Acta A 1999, 55, 525.
136. Franzen, S.; Kiger, L.; Poyart, C.; Martin, J.-L. Biophys. J. 2001, 80, 2372.
137. Dreuw, A.; Dunietz, B. D.; Head-Gordon, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 12070.
138. Derewenda, Z.; Dodson, G.; Emsley, P.; Harris, D.; Nagai, R; Perutz, M.; Reynaud, J.-P. J. Mol. Biol. 1990, 211, 515.
139. Della Longa, S.; Arcovito, A.; Girasole, M.; Hazemann, J. L.; Benfatto, M. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 155501.
140. Makinen, M. W.; Eaton, W. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1973, 206, 210.
141. Yamaguchi, Y.; Yokomichi, Y.; Yokoyama, S.; Mashiko, S. Int. J. Quantum Chem. 2001, 84, 338.
142. Yamaguchi, Y.; Yokoyama, S.; Mashiko, S. J. Chem. Phys. 2002, 116, 6541.
143. Miyahara, T.; Nakatsuji, H.; Hasegawa, J.; Osuka, A.; Aratani, N.; Tsuda, A. J. Chem. Phys. 2002, 117, 11196.
144. Cho, H. S.; Jeong, D. H.; Yoon, M.-C.; Kim, Y. H.; Kim, Y.-R.; Kim, D.; Jeoung, S. C.; Kim, S. K.; Aratani, N.; Shinmori, H.; Osuka, A. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 4200.
145. Häberle, T.; Hirsch, J.; Pöllinger, F.; Heitele, H.; Michel-Beyerle, M. E.; Anders, C.; Döhling, A.; Krieger, C.; Rückemann, A.; Staab, H. A. J. Phys. Chem. 1996, 100, 18269.
146. Polivka, T.; Zigmantas, D.; Herek, J. L.; He, Z.; Pascher, T.; Pulleritis, T.; Cogdell, R. J.; Frank, H. A.; Sundström, V. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 11016.
147. Thomson, M.; Novosel, M.; Roskos, H. G.; Miller, T.; Wagner, M.; Fabrizi de Biani, F.; Zanello, P. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 3281.
148. Hasegawa, J.; Ozeki, Y.; Ohkawa, K.; Hada, M.; Nakatsuji, H. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 1320.
149. Hashimoto, T.; Choe, Y. K; Nakano, H.; Hirao, K. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 1894.
150. Parusel, A. B. J.; Grimme, S. J. Porphyrins Phthalocyanines 2001, 5, 225.
151. Voorhis, T. V.; Head-Gordon, M. Mol. Phys. 2002, 100, 1713.
152. Ziegler, T.; Rauk, A.; Baerends, E. J. Theor. Chim. Acta 1977, 43, 261.
153. Gilbert, A. T. B.; Gill, G. B. W.; Gill, P. M. W., manuscript in preparation.
154. Vasudevan, J.; Stibrany, R. T.; Bumby, J.; Knapp, S.; Potenza, J. A.; Emge, T. J.; Schugar, H. J. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11676.
155. Scheer, H.; Inhoffen, H.H. In The Porphyrins; Dolphin, D., Ed.; Academic: New York, 1978; Vol. 2, p45.