Toward an accurate and efficient theory of physisorption. I. Development of an augmented density-functional theory model

Journal of Physical Chemistry A

Volumn 112, Issue 40, 2008, Pages 9993-10005

  Murdachaew, Garold ^a,d   De Gironcoli, Stefane ^b   Scoles, Giacinto ^c  

^a SISSA   (Italy)

^b DEMOCRITOS NATIONAL SIMULATION CENTER   (Italy)

^c PRINCETON UNIVERSITY   (United States)

^d PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

A DENSITIES; AB INITIO; ACCURATE; DENSITY FUNCTIONALS; DISPERSION COEFFICIENTS; EFFICIENT; EXCHANGE ENERGIES; EXPERIMENTAL DATUM; FUNCTIONAL INTERACTIONS; FUNCTIONAL THEORIES; FUNCTIONALS; GAS ATOMS; HYBRID MODELS; INTERACTION ENERGIES; INTERMOLECULAR FORCES; LARGE SYSTEMS; METAL ATOM DIMERS; METAL ATOMS; MOLECULAR SYSTEMS; RARE GASSES; VAN DER WAALS; WEAK BINDINGS; WEAKLY BOUND COMPLEXES;

ADSORPTION; ATOMIC PHYSICS; ATOMS; CHEMICAL BONDS; DISPERSION (WAVES); FLOW INTERACTIONS; GASES; HYDROGEN; INERT GASES; OLIGOMERS; PHYSISORPTION; PROBABILITY DENSITY FUNCTION; TIME VARYING SYSTEMS; VAN DER WAALS FORCES; WAVE FUNCTIONS;

DENSITY FUNCTIONAL THEORY;

EID: 54949113757     PISSN: 10895639     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp800974k     Document Type: Article

References (88)

1. Brivio, G. P.; Trioni, M. I. Rev. Mod. Phys. 1999, 71, 231.
2. Hohenberg, P.; Kohn, W. Phys. Rev. 1964, 136, B864.
3. Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev. 1965, 140, A1133.
4. Greeley, J.; Nørskov, J. K.; Mavrikakis, M. Annu. Rev. Phys. Chem. 2002, 53, 319.
5. Fratesi, G.; de Gironcoli, S. J. Chem. Phys. 2006, 125, 044701.
6. Mazzarello, R.; Cossaro, A.; Verdini, A.; Rousseau, R.; Casalis, L.; Danisman, M. F.; Floreano, L.; Scandolo, S.; Morgante, A.; Scoles, G. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 016102.
7. Philipsen, P. H. T.; Baerends, E. J. Phys. Rev. B 1996, 54, 5326.
8. Bruch, L. W.; Cole, M. W.; Zaremba, E. Physical adsorption: Forces and phenomena; Oxford: New York, 1997.
9. Diehl, R. D.; Seyller, T.; Caragiu, M.; Leatherman, G. S.; Ferralis, N.; Pussi, K.; Kaukasoina, P.; Lindroos, M. J. Phys.: Condens. Matter 2004, 16, S2839.
10. Bruch, L. W.; Diehl, R. D.; Venables, J. A. Rev. Mod. Phys. 2007, 79, 1381.
11. Perdew, J. P.; Ruzsinszky, A.; Tao, J.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E.; Csonka, G. I. J. Chem. Phys. 2005, 123, 062201.
12. Tao, J. M.; Perdew, J. P.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 146401.
13. Wu, X.; Vargas, M. C.; Nayak, S.; Lotrich, V.; Scoles, G. J. Chem. Phys. 2001, 115, 8748.
14. Tsuzuki, S.; Lüthi, H. P. J. Chem. Phys. 2001, 114, 3949.
15. Sharma, M.; Resta, R.; Car, R. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 247401.
16. Marini, A.; García-González, P.; Rubio, A. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 136404.
17. Dion, M.; Rydberg, H.; Schröder, E.; Langreth, D. C.; Lundqvist, B. I. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 246401.
18. Dion, M.; Rydberg, H.; Schröder, E.; Langreth, D. C.; Lundqvist, B. I. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 109902(E)
19. Thonhauser, T.; Cooper, V. R.; Li, S.; Puzder, A.; Hyldgaard, P.; Langreth, D. C. Phys. Rev. B 2007, 76, 125112.
20. Podeszwa, R.; Szalewicz, K. Chem. Phys. Lett. 2005, 412, 412.
21. Polo, V.; Gräfenstein, J.; Kraka, E.; Cremer, D. Chem. Phys. Lett. 2002, 352, 469.
22. Douketis, C.; Scoles, G.; Marchetti, S.; Zen, M.; Thakkar, A. J. J. Chem. Phys. 1982, 76, 3057.
23. Jeziorski, B.; Moszynski, R.; Szalewicz, K. Chem. Rev. 1994, 94, 1887.
24. Jeziorski, B.; Szalewicz, K. Symmetry-adapted perturbation theory. In Handbook of Molecular Physics and Quantum Chemistry; Wilson, S., Ed.; Wiley: New York, 2003; Vol. 3, p 232.
25. Boys, S. F.; Bernardi, F. Mol. Phys. 1970, 19, 553.
26. Chalasiński, G.; Szczȩśniak, M. M. Chem. Rev. 1994, 94, 1723.
27. Raghavachari, K.; Trucks, G. W.; Pople, J. A.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1989, 157, 479.
28. Patkowski, K.; Murdachaew, G.; Fou, C. M.; Szalewicz, K. Mol. Phys. 2005, 103, 2031.
29. Bukowski, R.; Szalewicz, K.; Groenenboom, G. C.; van der Avoird, A. Science 2007, 315, 1249.
30. Wormer, P. E. S.; Hettema, H. J. Chem. Phys. 1992, 97, 5592.
31. Wormer, P. E. S.; Hettema, H. POLCOR package; University of Nijmegen: Nijmegen, The Netherlands, 1992.
32. Misquitta, A. J.; Szalewicz, K. Chem. Phys. Lett. 2002, 357, 301.
33. Misquitta, A. J.; Jeziorski, B.; Szalewicz, K. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 033201.
34. Misquitta, A. J.; Szalewicz, K. J. Chem. Phys. 2005, 122, 214109.
35. Misquitta, A. J.; Podeszwa, R.; Jeziorski, B.; Szalewicz, K. J. Chem. Phys. 2005, 123, 214103.
36. Bukowski, R.; Cencek, W.; Jankowski, P.; Jeziorska, M.; Jeziorski, B.; Kucharski, S. A.; Lotrich, V. F.; Misquitta, A. J.; Moszyński, R.; Patkowski, K.; Podeszwa, R.; Rybak, S.; Szalewicz, K.; Williams, H. L.; Wheatley, R. J.; Wormer, P. E. S.; Zuchowski, P. S. SAPT2006.2: An Ab initio Program for Many-Body Symmetry-Adapted Perturbation Theory Calculations of Intermolecular Interaction Energies; University of Delaware and University of Warsaw: Newark, DE, 2006; http://www.physics.udel.edu/szalewic/SAPT/SAPT. html.
37. Podeszwa, R.; Bukowski, R.; Szalewicz, K. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 10345.
38. Patkowski, K.; Podeszwa, R.; Szalewicz, K. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 12822.
39. Examples of recent advances include Kohn-Sham rather than Hartree-Fock description of monomers within SAPT(DFT), use of density fitting within HF, DFT, MP2, and SAPT(DFT), and so-called local approaches potentially allowing linear scaling.
40. Bukowski, R.; Podeszwa, R.; Szalewicz, K. Chem. Phys. Lett. 2005, 414, 111.
41. Slater, J. C. Phys. Rev. 1951, 81, 385.
42. Vosko, S. H.; Wilk, L.; Nusair, M. Can. J. Phys. 1980, 58, 1200 (We used VWN5, the version implemented in most computational chemistry packages).
43. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.
44. Zhang, Y.; Yang, W. Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 890.
45. Hammer, B.; Hansen, L. B.; Nørskov, J. K. Phys. Rev. B 1999, 59, 7413.
46. Adamo, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 1999, 110, 6158.
47. Zhang, Y.; Pan, W.; Yang, W. J. Chem. Phys. 1997, 107, 7921.
48. Lacks, D. J.; Gordon, R. G. Phys. Rev. A 1993, 47, 4681.
49. Werner, H.-J.; Knowles, P. J.; Lindh, R.; Manby, F. R.; Schütz, M.; Celani, P.; Korona, T.; Rauhut, G.; Amos, R. D.; Bernhardsson, A.; Berning, A.; Cooper, D. L.; Deegan, M. J. O.; Dobbyn, A. J.; Eckert, F.; Hampel, C.; Hetzer, G.; Lloyd, A. W.; McNicholas, S. J.; Meyer, W.; Mura, M. E.; Nicklass, A.; Palmieri, P.; Pitzer, R.; Schumann, U.; Stoll, H.; Stone, A. J.; Tarroni, R.; Thorsteinsson, T. MOLPRO, a package of ab initio programs, versions, 2002.6 and 2006.1; 2002, 2006; http://www.molpro.net.
50. Bylaska, E. J.; de Jong, W. A.; Kowalski, K.; Straatsma, T. P.; Valiev, M.; Wang, D.; Aprà, E.; Windus, T. L.; Hirata, S.; Hackler, M. T.; Zhao, Y.; Fan, P.-D.; Harrison, R. J.; Dupuis, M.; Smith, D. M. A.; Nieplocha, J.; Tipparaju, V.; Krishnan, M.; Auer, A. A.; Nooijen, M.; Brown, E.; Cisneros, G.; Fann, G. I.; Früchtl, H.; Garza, J.; Hirao, K.; Kendall, R.; Nichols, J. A.; Tsemekhman, K.; Wolinski, K.; Anchell, J.; Bemholdt, D.; Borowsld, P.; Clark, T.; Clerc, D.; Dachsel, H.; Deegan, M.; Dyall, K.; Elwood, D.; Glendening, E.; Gutowski, M.; Hess, A.; Jaffe, J.; Johnson, B.; Ju, J.; Kobayashi, R.; Kutteh, R.; Lin, Z.; Littlefield, R.; Long, X.; Meng, B.; Nakajima, T.; Niu, S.; Pollack, L.; Rosing, M.; Sandrone, G.; Stave, M.; Taylor, H.; Thomas, G.; van Lenthe, J.; Wong, A.; Zhang, Z. NWChem, A Computational Chemistry Package for Parallel Computers, version 5.0; Pacific Northwest National Laboratory: Richland, WA 99352-0999, USA, 2006; http://www.emsl.pnl. gov/docs/nwchem/nwchem.html.
51. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, Jr., J. A.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Kiene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, revision D.02; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2004.
52. Knowles, P. J.; Hampel, C.; Werner, H.-J. J. Chem. Phys. 1993, 99, 5219.
53. Knowles, P. J. J. Chem. Phys. 2000, 112, 3106.
54. Tao, F.-M; Pan, Y.-K. J. Chem. Phys. 1992, 97, 4989.
55. Williams, H. L.; Mas, E.; Szalewicz, K.; Jeziorski, B. J. Chem. Phys. 1995, 103, 7374.
56. Bergner, A.; Dolg, M.; Kuechle, W.; Stoll, H.; Preuss, H. Mol. Phys. 1993, 80, 1431.
57. Figgen, D.; Rauhut, G.; Dolg, M.; Stoll, H. Chem. Phys. 2005, 311, 227.
58. Martin, J. M. L.; Sundermann, A. J. Chem. Phys. 2001, 114, 3408.
59. Peterson, K. A.; Figgen, D.; Goll, E.; Stoll, H.; Dolg, M. J. Chem. Phys. 2003, 119, 11113.
60. Peterson, K. A.; Puzzarini, C. Theor. Chem. Acc. 2005, 114, 283.
61. Patkowski, K.; Szalewicz, K. J. Chem. Phys. 2007, 127, 164103.
62. Tang, K. T.; Toennies, J. P. J. Chem. Phys. 1984, 80, 3726.
63. Lieb, E. H.; Oxford, S. Int. J. Quantum Chem. 1981, 19, 427.
64. EMSL Basis Set Exchange Library, http://gnode2.pnl.gov/bse/portal.
65. Woon, D. E.; Dunning, T. H., Jr J. Chem. Phys. 1994, 100, 2975.
66. Woon, D. E.; Dunning, T. H., Jr. to be published.
67. Woon, D. E.; Dunning, T. H., Jr J. Chem. Phys. 1993, 98, 1358.
68. Peterson, K. A.; Dunning, T. H., Jr J. Chem. Phys. 2002, 117, 10548.
69. Koput, J.; Peterson, K. A. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9595.
70. Schmidt, M. W.; Ruedenberg, K. J. Chem. Phys. 1979, 71, 3951.
71. Lias, S. G. Ionization Energy Evaluation. In NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69; Linstrom, P. J., Mallard, W. G., Eds.; National Institute of Standards and Technology: Gaithersburg, MD, 2005; http://webbook.nist.gov.
72. Kislyakov, I. M. Opt. Spectrosc. 1999, 87, 357.
73. Hattig, C.; Hess, B. A. J. Phys. Chem. 1996, 100, 6243.
74. Thakkar, J. J. Chem. Phys. 1988, 89, 2092.
75. Proctor, T. R.; Stwalley, W. C. J. Chem. Phys. 1977, 66, 2063.
76. Chu, X.; Dalgarno, A. J. Chem. Phys. 2004, 121, 4083.
77. Derevianko, A.; Johnson, W. R.; Safronova, M. S.; Babb, J. F. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 3589.
78. Porsev, S. G.; Derevianko, A. J. Chem. Phys. 2003, 119, 844.
79. Aziz, R. A. J. Chem. Phys. 1993, 99, 4518.
80. Slavíček, P.; Kalus, R.; Paška, P.; Odvárková, I.; Hobza, P.; Malijevský, A. J. Chem. Phys. 2003, 119, 2102.
81. Dham, A. K.; Allnatt, A. R.; Meath, W. J.; Aziz, R. A. Mol. Phys. 1989, 67, 1291.
82. Dham, A. K.; Meath, W. J.; Allnatt, A. R.; Aziz, R. A.; Slaman, M. J. Chem. Phys. 1990, 142, 173.
83. Hinde, R. J. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2003, 36, 3119.
84. Czuchaj, E.; Krosnicki, M.; Stoll, H. Chem. Phys. 2003, 292, 101.
85. Tellinghuisen, J.; Ragone, A.; Kim, M. S.; Auerbach, D. J.; Smalley, R. E.; Wharton, L.; Levy, D. H. J. Chem. Phys. 1979, 71, 1283.
86. Shen, Y.; BeiBruno, J. J. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 10077.
87. Tiesinga, E.; Kotochigova, S.; Julienne, P. S. Phys. Rev. A 2002, 65, 042722.
88. Gutowski, M. J. Chem. Phys. 1999, 110, 4695.