Valence-bond order (VBO): A new approach to modeling reactive potential energy surfaces for complex systems, materials, and nanoparticles

Journal of Chemical Theory and Computation

Volumn 5, Issue 3, 2009, Pages 594-604

  Zhao, Meiyu ^a   Iron, Mark A ^a,c   Staszewski, Przemyslaw ^a,b   Schultz, Nathan E ^a   Valero, Rosendo ^a   Truhlar, Donald G ^a  

^a University of Minnesota   (United States)

^b NICOLAUS COPERNICUS UNIVERSITY   (Poland)

^c WEIZMANN INSTITUTE OF SCIENCE   (Israel)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 65249119382     PISSN: 15499618     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ct8004535     Document Type: Article

References (143)

1. Slater, J. C. Quantum Theory of Matter, 2nd ed.; McGraw- Hill: New York, NY, 1968.
2. Raghavachari, K.; Anderson, J. B. J. Phys. Chem. 1996, 100, 12960.
3. Pople, J. A. Rev. Mod. Phys. 1999, 71, 1267.
4. Kohn, W.; Becke, A. D.; Parr, R. G. J. Phys. Chem. 1996, 100, 12974.
5. Kohn, W. Rev. Mod. Phys. 1999, 71, 1253.
6. Truhlar, D. G. In Foundations of Molecular Modeling and Simulation; Cummings, P. T., Westmoreland, P. R., Eds.; American Institute of Chemical Engineers: New York, NY, 2001; pp 71-83.
7. Friesner, R. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 6648.
8. Zerner, M. C. Rev. Comput. Chem. 1991, 2, 313.
9. Wang, C. Z.; Ho, K. M. J. Comput.-Aided Mater. Des. 1996, 3, 139.
10. Tight-Binding Approach to Computational Materials Science; Turchi, P. E. A.; Gonis, A.; Colombo, L., Eds.; Materials Research Society: Warrendale, PA, 1998.
11. Frauenheim, T.; Seifert, G.; Elstner, M.; Niehaus, T.; Kohler, C.; Amkreutz, M.; Sternberg, M.; Hajnal, Z.; Di Carlo, A.; Suhai, S. J. Phys.: Condens. Matter 2002, 14, 3015.
12. Bredow, T.; Jug, K. Theor. Chem. Acc. 2005, 113, 1.
13. (a) Staszewska, G.; Staszewski, P.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. Phys. Rev. B 2005, 71, 045423. (b) Iron, M. A.; Heyden, A.; Staszewska, G.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comp. 2008, 4, 804.
14. Quantum Simulations of Complex Many-Body Systems: From Theory to Algorithms; Grotendorst, J., Marx, D., Muramatsu, A., Eds.; Neumann Institute for Computing: Julich, 2002.
15. Multiscale Computational Methods in Chemistry and Physics; Brandt, A.; Bernholc, J.; Binder, K., Eds.; IOS Press: Amsterdam, 2001.
16. Hill, J.-R.; Subramanian, L.; Maiti, A. Molecular Modeling Techniques in Material Sciences; Taylor and Francis Group: Boca Raton, FL, 2003.
17. Qiu, S. Y.; Wang, C. Z.; Ho, K. M.; Chan, C. T. J. Phys.: Condens. Matter 1994, 6, 9153.
18. Goedecker, S.; Colombo, L. Phys. Rev. Lett. 1994, 73, 122.
19. Nam, K.; Gao, J. L.; York, D. M. J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 2.
20. Truhlar, D. G.; Steckler, R.; Gordon, M. S. Chem. Rev. 1987, 87, 217.
21. Huang, X. C.; Braams, B. J.; Bowman, J. M. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 445.
22. Albu, T. V.; Espinosa-Garcia, J.; Truhlar, D. G. Chem. Rev. 2007, 107, 5101.
23. Brenner, D. W. Phys. Rev. B 1990, 42, 9458.
24. Streitz, F. H.; Mintmire, J. W. Phys. Rev. B 1994, 50, 11996.
25. van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; Lorant, F.; Goddard, W. A. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 9396.
26. (a) Bazant, M. Z.; Kaxiras, E. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 4370. (b) Bazant, M. Z.; Kaxiras, E.; Justo, J. F. Phys. Rev. B 1997, 56, 8542. (c) Justo, J. F.; Bazant, M. Z.; Kaxiras, E.; Bulatov, V. V.; Yip, S. Phys. Rev. B 1998, 58, 2539.
27. Stuart, S. J.; Tuten, A. B.; Harrison, J. A. J. Chem. Phys. 2000, 112, 6472. (e) Marks, N. A. Phys. Rev. B 2001, 63, 035401. (f) Brenner, D. W.; Shenderova, O. A.; Harrison, J. A.; Stuart, S. J.; Ni, B.; Sinnott, S. B. J. Phys.: Condens. Matter 2002, 14, 7-83. (g) Brenner, D. W.; Shenderova, O. A.; Areshkin, D. A.; Schall, J. D.; Frankland, S. J. V. Comput. Mod. Eng. Sci. 2002, 3, 643. (h) Ni, B.; Lee, K.- H.; Sinnott, S. B. J. Phys.: Condens. Matter 2004, I, 7261.
28. Shi, Y.; Brenner, D. W. J. Chem. Phys. 2007, 127, 134503.
29. van Duin, A. C. T.; Strachan, A.; Stewman, S.; Zhang, Q. S.; Xu, X.; Goddard, W. A. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 3803.
30. Zhang, Q.; Cagin, T.; van Duin, A.; Goddard, W. A.; Qi, Y.; Hector, L. G. Phys. Rev. B 2004, 69, 045423.
31. Cheung, S.; Deng, W. Q.; van Duin, A. C. T.; Goddard, W. A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 851.
32. Jasper, A. W.; Staszewski, P.; Staszewska, G.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8996.
33. Jasper, A. W.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3915.
34. Sullivan, M. B.; Iron, M. A.; Redfern, P. C.; Martin, J. M. L.; Curtiss, L. A.; Radom, L. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 5617.
35. Bowen, J. P.; Allinger, N. L. Rev. Comput. Chem. 1991, 2, 81.
36. Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R., Jr.; Ferguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5179.
37. Allinger, N. L.; Chen, K.; Lii, J.-H. J. Comput. Chem. 1996, 17, 642.
38. Halgren, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 490.
39. MacKerrell, A. D., Jr.; Bashford, D.; Bellott, M.; Dunbrack, R. L., Jr.; Evanseck, J. D.; Field, M. J.; Fischer, S.; Gao, J.; Guo, H.; Ha, S.; Joseph-McCarthy, D.; Kuchnir, L.; Kuczera, K.; Lau, F. T. K.; Mattos, C.; Michnick, S.; Ngo, T.; Nguyen, D. T.; Prodhom, D.; Reiher, W. E., III; Roux, B.; Schlenkrich, M.; Smith, J. C.; Stote, R.; Straub, J.; Watanabe, M.; Wiórkiewicz-Kuczera, J.; Yin, D.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 3586.
40. Halgren, T. A. J. Comput. Chem. 1999, 20, 730.
41. Schuler, L. D.; Daura, X.; van Gunsteren, W. F. J. Comput. Chem. 2001, 22, 1205.
42. Ponder, J. W.; Case, D. A. Adv. Prot. Chem. 2003, 66, 27.
43. MacKerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1584.
44. Jorgensen, W. L.; Tirado-Rives, J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 6665.
45. Landis, C. R.; Root, D. M.; Cleveland, T. Rev. Comput. Chem. 1995, 6, 73.
46. Deeth, R. J. Coord. Chem. Rev. 2001, 212, 11.
47. Jasper, A. W.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 210.
48. Bhatt, D.; Jasper, A. W.; Schultz, N. E.; Siepmann, J. I.; Truhlar, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4224.
49. Bhatt, D.; Schultz, N. E.; Jasper, A. W.; Siepmann, J. I.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 26135.
50. Li, Z. H.; Jasper, A. W.; Truhlar, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14899.
51. Li, Z. H.; Bhatt, D.; Schultz, N. E.; Siepmann, J. I.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 16227.
52. Li, Z. H.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11109.
53. Li, Z. H.; Truhlar, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12698.
54. Züttel, A. Naturwissenschaften 2004, 91, 157.
55. Pranevicius, L.; Milcius, D.; Pranevicius, L. L.; Thomas, G. J. Alloys Compd. 2004, 373, 9.
56. Hayden, L. E.; Tverberg, J. C. Am. Soc. Mech. Eng. PVP DiV. 2004, 475, 223.
57. Sandrock, G.; Reilly, J.; Graetz, J.; Zhou, W. M.; Johnson, J.; Wegrzyn, J. Appl. Phys., A 2005, 80, 687.
58. Yarovsky, I.; Goldberg, A. Mol. Sim. 2005, 31, 475.
59. Milcius, D.; Pranevicius, L. L.; Templier, C. J. Alloys Compd. 2005, 398, 203.
60. Fichtner, M. Ann. Chim. Sci. Mater. 2005, 30, 483.
61. Wagemans, R. W. P.; van Lenthe, J. H.; de Jongh, P. E.; van Dillen, A. J.; de Jong, K. P. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16675.
62. Graetz, J.; Reilly, J. J. J. Alloys Compd. 2006, 424, 262.
63. Graetz, J.; Reilly, J. J. Scipta Mater. 2007, 56, 835.
64. Wang, Y.; Yan, J.-A.; Chou, M. Y. Phys. Rev. B 2008, 77, 014101.
65. Scheicher, R. H.; Kim, D. Y.; Lebegue, S.; Arnaud, B.; Alouani, M.; Ahuja, R. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 201903.
66. Gillespie, R. J. Chem. Soc. Rev. 1992, 21, 59.
67. Gilheany, D. G. Chem. Rev. 1994, 94, 1339.
68. Albright, T. A.; Burdett, J. K.; Whangbo, M.-H. Orbital Interactions in Chemistry; Wiley: New York, NY, 1985.
69. Hurley, A. C.; Lennard-Jones, J.; Pople, J. A. Proc. R. Soc. London, Ser. A 1953, 220, 446.
70. Raff, L. M.; Stivers, L.; Porter, R. N.; Thompson, D. L.; Sims, L. B. J. Chem. Phys. 1970, 52, 3449.
71. Hiberty, P. C. THEOCHEM 1998, 451, 237.
72. Shaik, S.; Shurki, A. Angew. Chem., Int. Ed. 1999, 38, 586.
73. Truhlar, D. G. J. Comput. Chem. 2007, 28, 73.
74. Åqvist, J.; Warshel, A. Chem. Rev. 1993, 93, 2523.
75. Albu, T. V.; Corchado, J. C.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 8465.
76. Slater, J. C.; Koster, G. F. Phys. Rev. 1954, 94, 1498.
77. Hoffmann, R. J. Chem. Phys. 1963, 39, 1397.
78. Sutton, A. P.; Finnis, M. W.; Pettifor, D. G.; Ohta, Y. J. Phys. C 1988, 21, 35.
79. Foulkes, W. M. C.; Haydock, R. Phys. Rev. B 1989, 39, 12520.
80. Porezag, D.; Frauenhein, T.; Köhler, T.; Seifert, G.; Kaschner, R. Phys. Rev. B 1995, 51, 12947.
81. Horsfield, A. P. Phys. Rev. B 1997, 56, 6594.
82. Harris, J. Phys. Rev. B 1985, 31, 1770.
83. Sankey, O.; Niklewski, D. J. Phys. Rev. B 1989, 40, 3979.
84. Ducastelle, F. In Computer Simulation in Materials Science; Meyer, M., Pontikis, V., Eds.; NATO ASI SeriesE 205: Dordrecht, 1991; p 223.
85. Lathiotakis, N. N.; Andriotis, A. N.; Mennon, M.; Connolly, J. J. Chem. Phys. 1996, 104, 992.
86. Sutton, A. P.; Godwin, P. D.; Horsfield, A. P. MRS Bull. 1996, 21, 42.
87. (a) Mehl, M.; Papaconstantopoulos, D. A. Phys. Rev. B 1996, 54, 4519. (b) Papaconstantopoulos, D. A.; Mehl, M. J. J. Phys.: Condens. Matter 2003, 15, R413.
88. (a) Wang, C. Z.; Ho, K. M. Adv. Chem. Phys. 1996, 93, 651. Tight-Binding Approach to Computational Materials Science; (b) Turchi, P. E. A., Gonis, A., Colombo, L., Eds.; Materials Research Society: Warendale, PA, 1998.
89. Stott, M. J.; Zaremba, E. Phys. Rev. B 1980, 22, 1564.
90. Gupta, R. P. Phys. Rev. B 1981, 23, 6265.
91. Daw, M. S.; Baskes, M. I. Phys. Re. B 1984, 29, 6443.
92. (a) Baskes, M. Phys. Re. B 1992, 46, 2727. (b) Lee, B.-J.; Shim, J.-H.; Baskes, M. I. Phys. Rev. B 2003, 68, 144112.
93. (a) Lee, B.-J.; Baskes, M. I.; Kim, H.; Cho, Y. K. Phys. Rev. B 2001, 64, 184102. (b) Lee, B.-J.; Lee, J. W. Comput. Coupl. Phase Diagr. Thermochem. 2005, 29, 7.
94. Finnis, M. W.; Sinclair, J. E. Phil. Mag. A 1984, 50, 45.
95. Jacobsen, K. W.; Nørskov, J. K.; Puska, M. J. Phys. Rev. B 1987, 35, 7423.
96. (a) Horfield, A. P.; Bratkovsky, A. M.; Fearn, M.; Pettifor, D. G.; Aoki, M. Phys. Rev. B 1996, 53, 12694. (b) Pettifor, D. G.; Oleinik, I. I. Phys. Rev. B 1999, 59, 8487. (c) Drautz, R.; Murdick, D. A.; Nguyen-Manh, D.; Zhou, X.; Wadley, H. N. G.; Pettifor, D. G. Phys. Rev. B 2005, 72, 144105.
97. Aoki, M.; Nguyen-Manh, D.; Pettifor, D. G.; Vitek, V. Progr. Mat. Sci. 2007, 52, 154.
98. Stokbro, K.; Jacobsen, K. W. Phys. Rev. B 1993, 47, 4916.
99. Polatoglou, H. M.; Methfessel, M.; Scheffler, M. Phys. Rev. B 1993, 48, 1877.
100. Rey, C.; Gallego, L. J.; García-Rodeja, J.; Alonso, J. A.; Iñiguez, M. P. Phys. Rev. B 1993, 48, 8253.
101. Canel, L. M.; Carlsson, A. E.; Fedders, P. A. Phys. Rev. B 1993, 48, 10739.
102. Nastar, M.; Willaime, F. Phys. Rev. B 1995, 51, 6896.
103. Foiles, S. M. MRS Bull. 1996, 21, 24.
104. Kallinteris, G. C.; Papanicolaou, N. I.; Evangelakis, G. A.; Papaconstantopoulos, D. A. Phys. Rev. B 1997, 55, 2150.
105. Garzón, I. L.; Michaelian, K.; Beltrán, M. R.; Posada- Amarillas, A.; Ordejón, P.; Artacho, E.; Sánchez-Portal, D.; Soler, J. M. Eur. Phys. J. D 1999, 9, 211.
106. Berthier, F.; Legrand, B.; Tréglia, G. Interface Sci. 2000, 8, 55.
107. (a) Karolewski, M. A. Radiat. Eff. Defects Solids 2001, 153, 239. (b) Mottet, C.; Tréglia, G.; Legrand, B. Phys. Rev. B 2002, 66, 045413.
108. Pettifor, D. G.; Aoki, M. In Equilibrium Structure and Properties of Surfaces and Interfaces; Gonis, A., Stocks, G. M., Eds.; Plenum Press: New York, 1992; p 123.
109. (a) Abel, G. C. Phys. Rev. B 1985, 31, 1985. (b) Tersoff, J. Phys. Rev. B 1989, 39, 5566.
110. (a) Brenner, D. W. Phys. Rev. Lett. 1989, 63, 1022. (b) Brenner, D. W.; Shenderova, O. A.; Shall, J. D.; Areshkin, D. A.; Adiga, S.; Harrison, J. A.; Stuart, S. J. In Handbook of Nanoscience, Engineering, and Technology; Goddard, W. A., III; Brenner, D. W., Lyshevski, S. E., IafrateG. J., Eds.; CRC Press: Boca Raton, FL, 2003; p 24.
111. Baskes, M. I. Phys. Rev. Lett. 1987, 59, 2666.
112. (a) London, F. Z. Elektrochem. 1929, 35, 551. (b) Raff, L. M.; Stivers, L.; Porter, R. N.; Thompson, D. L.; Sims, L. B. J. Chem. Phys. 1970, 52, 3449. (c) Parr, C. A.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. 1971, 75, 1844.
113. Ackland, G. J.; Reed, S. K. Phys. Rev. B 2003, 67, 174108.
114. Morse, P. M. Phys. Rev. 1929, 34, 57.
115. (a) Pauling, L. The Nature of the Chemical Bond, 3rd. ed.; Cornell University Press: Ithaca, NY, 1960, p 98. (b) Johnston, H. S. Adv. Chem. Phys. 1960, 3, 131. (c) Lagana, A.; Aspuru, G. O. d.; Garcia, E. J. Chem. Phys. 1998, 108, 3886. (d) Lendvay, G. THEOCHEM 2000, 501-502, 389.
116. Hall, G. G. Theor. Chim. Acta 1985, 67, 439.
117. (a) Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865. (b) Adamo, C.; Barone, V.J. Chem. Phys. 1999, 110, 6158.
118. Krishnan, R.; Binkley, J. S.; Seeger, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1980, 72, 650.
119. McLean, A. D.; Chandler, G. S. J. Chem. Phys. 1980, 72, 5639.
120. Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 41.
121. Schultz, N. E.; Staszewska, G.; Staszewski, P.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 4850.
122. Kolos, W.; Wolniewicz, L. J. Chem. Phys. 1965, 43, 2429.
123. Boothroyd, A. I.; Keogh, W. J.; Martin, P. G.; Peterson, M. R. J. Chem. Phys. 1996, 104, 7139.
124. Boothroyd, A. I.; Martin, P. G.; Keogh, W. J.; Peterson, M. J. J. Chem. Phys. 2002, 116, 666.
125. Pople, J. A.; Nesbet, R. K. J. Chem. Phys. 1954, 22, 571.
126. Dunning, T. H., Jr. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007.
127. Brown, F. B.; Shavitt, I.; Shepard, R. Chem. Phys. Lett. 1984, 105, 363.
128. Pople, J. A.; Seeger, R.; Krishnan, R. Int. J. Quantum Chem. Symp 1977, 11, 149.
129. Roos, B. O.; Taylor, P. R.; Siegbahn, P. E. M. Chem. Phys. 1980, 48, 157.
130. Ruedenberg, K.; Schmidt, M. W.; Gilbert, M. M.; Elbert, S. T. Chem. Phys. 1982, 71, 41.
131. Truhlar, D. G. Chem. Phys. Lett. 1998, 294, 45.
132. Carroll, D. L. In DeVelopments in Theoretical and Applied Mechanics; Wilson, H., Batara, R., Bert, C., Davis, A., Schapery, R., Stewart, D., Swinson, F., Eds.; School of Engineering, The University of Alabama: Tuscaloosa, AL, 1996; Vol. 17, p 411.
133. Carroll, D. L. GA-Version 1.7a: FORTRAN Genetic Algorithm DriVer; CU Aerospace: Urbana, IL, 2001.
134. Message Passing Interface Forum. Document for a standard message passing interface, Technical Report No. CS-93- 214; University of Tennessee: Knoxville, TN, 1994.
135. Gropp, W.; Lusk, E.; Skjellum, A. Using MPI: Portable Parallel Programming with the Message-Passing Interface; 2nd ed.; MIT Press: Cambridge, MA, 1999.
136. Davidson, E. R. Chem. Rev. 1993, 93, 2337.
137. Baskes, M. I.; Nelson, J. S.; Wright, A. F. Phys. Rev. B 1989, 40, 6085.
138. Vashishta, P.; Kalia, R. K.; Nakano, A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 3727.
139. Kadai, K.; Germann, T. C.; Lomdahl, P. S.; Albers, R. C.; Wark, J. S.; Higgenbotham, A.; Holian, B. L. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 135701.
140. Gonzalez-Lafont, A.; Truong, T. N.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. 1991, 95, 4618.
141. Rossi, I.; Truhlar, D. G. Chem. Phys. Lett. 1995, 233, 231.
142. Bash, P. A.; Ho, L. L. jr.; Levine, D.; Hallstrom, P. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1996, 93, 3698.
143. Layfield, J. P.; Owens, M. D.; Troya, D. J. Chem. Phys. 2008, 128, 194302.