DFTBerechnungen

DFTBerechnungen bezeichnen Berechnungen mit der density-functional tight-binding (DFTB) Methode, einer semi-empirischen Weiterentwicklung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) zur Beschreibung der elektronischen Struktur von Molekülen und Festkörpern. Der Ansatz basiert auf einer Näherung der DFT-Totalenergie um eine Referenzdichte, wodurch eine Tight-Binding-Hamiltonian entsteht. Die Parameter des Modells stammen aus DFT-Berechnungen oder aus vordefinierten Slater–Koster-Tabellen und werden durch eine repulsive Energie ergänzt, um Strukturen und Energien zu stabilisieren. Dadurch lassen sich Elektronen- und Kern-Beziehungen mit deutlich geringeren Kosten als bei vollständiger DFT berechnen.

Das häufigste Modell innerhalb von DFTB ist SCC-DFTB (Self-Consistent Charge DFTB), das eine Selbstkonsistente Ladungsanpassung einführt, um Ladungstransfer und Polarisation besser abzubilden. Erweiterungen umfassen DFTB2 und DFTB3, die höhere Ordnung der DFT-Expansion berücksichtigen, sowie zeitabhängige Varianten (TD-DFTB) für Excitations. DFTB wird oft in Softwarepaketen wie DFTB+ implementiert, und Parameterbänke (z. B. für organische Verbindungen, Silizium, Kohlenstoffsysteme) ermöglichen den Einsatz in vielen Material- und Molekülberechnungen.

Vorteile sind hohe Rechengeschwindigkeit und Skalierbarkeit, hilfreiche Beschreibung von Geometrien, Reaktionswegen und Thermodynamik in großen Systemen (oft mehrere tausend Atome). Anwendungen finden sich in der Materialwissenschaft, Oberflächenchemie, organischer Elektronik, Biologie und Nanostrukturen. Einschränkungen umfassen die Abhängigkeit von Parameterfeldern, begrenzte Genauigkeit im Vergleich zu vollwertigen DFT-Berechnungen, Probleme bei stark korrelierten Systemen und Situationen mit großem Ladungstransfer, sowie der Bedarf an Dispersionsergänzungen.