Amesp中激发态以及旋轨耦合的计算

2023-09-03 14:16:36 浏览数 (1)

1 激发态计算

在Amesp中,计算激发态的方法主要包括CIS、TDHF、TDDFT以及TDA,并支持R、U和RO三种形式。使用CIS以及TDHF的时候,直接在关键词部分写上它们即可,比如:

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! cis  def2-SVP
! ucis def2-SVP
! rocis def2-SVP
! tdhf def2-SVP

在使用TDDFT以及TDA时,在泛函和基组后面添加相应关键词即可,比如:

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! b3lyp def2-SVP TD
! ub3lyp def2-SVP TD
! rob3lyp def2-SVP TD
! b3lyp def2-SVP TDA

在Amesp中默认会计算3个激发态,若想计算更多的激发态可以通过如下的关键词实现:

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% npara 4
! cis def2-SVP
>posthf
 nstates 5
end
>xyz 0 1
O              0.69861426   -0.93533486    0.00000000
H              1.65861426   -0.93533486    0.00000000
H              0.37815968   -0.03039903    0.00000000
end

当需要使用某一个态来计算各种信息时(比如优化激发态,计算与基态的非绝热耦合等),可以通过如下关键词来进行设置:

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>posthf
 root 2
end

对于闭壳层体系,默认的是计算单重态的激发态,若想要计算三重态,可通过tdspin关键词进行设置:

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>posthf
 tdspin s 1
end

若想同时计算单重态和三重态,只需要将tdspin后面的关键词改为all即可:

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>posthf
 tdspin all
end

这里给出一个输出文件中激发态信息的例子:

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 =========== Excitation energies and oscillator strengths ==========
 State    1 : E =    9.2579 eV     133.923 nm      74669.96 cm-1
        5 -->    6      0.6982811
 E(TD) =    -75.620018401      <S**2>= 0.000     f= 0.0221

 State    2 : E =   11.0417 eV     112.287 nm      89057.06 cm-1
        5 -->    7     -0.6893610
        5 -->    8     -0.1330741
 E(TD) =    -75.554465957      <S**2>= 0.000     f= 0.0000

 State    3 : E =   11.5648 eV     107.208 nm      93276.46 cm-1
        4 -->    6     -0.6974733
 E(TD) =    -75.535240967      <S**2>= 0.000     f= 0.0962
 
 Time of CIS :     0.013 Seconds
 =====================================================

其中输出的组态系数为绝对值大于0.1的部分,若想输出更多组态系数,可以通过以下关键词实现:

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>posthf
 tout 2
end

tout后面的数字2表示输出绝对值大于10^(-2)的部分,此时的输出变为:

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 =========== Excitation energies and oscillator strengths ==========
 State    1 : E =    9.2579 eV     133.923 nm      74669.96 cm-1
        5 -->    6      0.6982811
        5 -->    9     -0.0943871
        5 -->   10     -0.0336958
        5 -->   13     -0.0437347
        5 -->   15      0.0128277
 E(TD) =    -75.620018401      <S**2>= 0.000     f=  0.0221
 
 State    2 : E =   11.0417 eV     112.287 nm      89057.06 cm-1
        5 -->    7     -0.6893610
        5 -->    8     -0.1330741
        5 -->   12     -0.0813271
        5 -->   18      0.0203039
 E(TD) =    -75.554465957      <S**2>= 0.000     f=  0.0000
 
 State    3 : E =   11.5648 eV     107.208 nm      93276.46 cm-1
        5 -->   11      0.0342210
        4 -->    6     -0.6974733
        4 -->    9      0.0763821
        4 -->   13      0.0421426
        4 -->   19     -0.0121284
        3 -->    7     -0.0562663
        3 -->    8     -0.0259947
        3 -->   12     -0.0183192
        2 -->    9      0.0101619
 E(TD) =    -75.535240967      <S**2>= 0.000     f=  0.0962
 
 Time of CIS :     0.002 Seconds
 =====================================================

2 旋轨耦合计算

在Amesp中,支持计算单重态和三重态的旋轨耦合矩阵元的计算,所谓旋轨耦合矩阵元,是两个态|i>和|j>之间的旋轨耦合积分<i|H_SO|j>,在Amesp中会直接输出<i|H_SO|j>所有分量的模,它表示这两个态之间的旋轨耦合作用的大小。计算中使用的是有效电荷近似的Breit-Pauli (BP)哈密顿。计算SOC是时候直接在关键词行写SOC即可,例子为:

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% npara 4
! b3lyp def2-TZVP TD SOC
>xyz 0 1
C              0.35219397    0.45034641    0.00000000
O              1.57951097    0.45034641    0.00000000
H             -0.23995103    1.38975041    0.00000000
H             -0.23995103   -0.48905759    0.00003900
end

输出文件中关键的部分为:

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          >>>>>>>>>>  Spin-Orbit Coupling  <<<<<<<<<
 
    Effective Charge:
 
     C         3.0126
     O         5.0184
     H         1.0000
 
    State--State     Sum of SOC            cm^-1
      0      1      |<S|H_SO|T>| =       61.41863
      0      2      |<S|H_SO|T>| =        0.00059
      0      3      |<S|H_SO|T>| =       11.81966
      0      4      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      0      5      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      0      6      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      1      1      |<T|H_SO|T>| =        0.00000
      2      1      |<T|H_SO|T>| =       62.37999
      2      2      |<T|H_SO|T>| =        0.00000
      3      1      |<T|H_SO|T>| =       13.28102
      3      2      |<T|H_SO|T>| =        0.97288
      3      3      |<T|H_SO|T>| =        0.00000
      4      1      |<S|H_SO|T>| =        0.00003
      4      2      |<S|H_SO|T>| =       45.40818
      4      3      |<S|H_SO|T>| =        9.22013
      4      4      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      5      1      |<S|H_SO|T>| =        8.09479
      5      2      |<S|H_SO|T>| =        0.43609
      5      3      |<S|H_SO|T>| =        0.00001
      5      4      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      5      5      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      6      1      |<S|H_SO|T>| =       51.45677
      6      2      |<S|H_SO|T>| =       37.29468
      6      3      |<S|H_SO|T>| =        1.50193
      6      4      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      6      5      |<S|H_SO|S>| =        0.00000
      6      6      |<S|H_SO|S>| =        0.00000

这里面需要的信息主要为|<S|H_SO|T>| 后面的值,Effective Charge 后面会显示使用的有效电荷的值,若想修改有效电荷,可以通过以下的方式(>xyz模块下面的>zeff模块):

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% npara 4
! b3lyp def2-TZVP TD SOC
>xyz 0 1
C              0.35219397    0.45034641    0.00000000
O              1.57951097    0.45034641    0.00000000
H             -0.23995103    1.38975041    0.00000000
H             -0.23995103   -0.48905759    0.00003900
end
>zeff
 C 6.0
 H 0.9
 O 7.0
end

上述旋轨耦合的结果非常依赖于有效电荷,因此需要一个非常合适的有效电荷才能得到合理的结果。在接下来的版本中,Amesp会使用精度更高的旋轨耦合平均场(SOMF)来代替有效电荷。

3 一阶非绝热耦合矩阵元

在与激发态相关的计算中,Amesp还支持计算基态与激发态之间的一阶非绝热耦合矩阵元(NACME),其可用于计算内转换速率常数等,输入方式为在关键词行直接写NAC:

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% npara 4
! b3lyp def2-TZVP TD NAC
>posthf
 fc off
end
>xyz 0 1
C              0.35219397    0.45034641    0.00000000
O              1.57951097    0.45034641    0.00000000
H             -0.23995103    1.38975041    0.00000000
H             -0.23995103   -0.48905759    0.00003900
end

默认为第一激发态与基态的NACME,若想计算其他激发态的,可以使用root关键词修改。需要注意的是,目前还不支持使用冻芯计算NAC,因此在计算过程中需要关掉冻芯(fc off),输出结果部分为:

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 Nonadiabatic Coupling (Bohr^-1):
                  x                y                z
 C           0.0000000061    -0.0000064219     0.0000000002
 O          -0.0000000169     0.0000005591    -0.0000000000
 H          -0.0000025674    -0.0000046955    -0.3413435686
 H           0.0000025909     0.0000094766     0.3413435682

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