densitetsfunktionalteori

Densitetsfunktionalteori (DFT) är en kvantkemi- och materialvetenskaplig metod för att beräkna elektronstrukturen hos atomer, molekyler och fast materia. I stället för att hantera den fullständiga vågfunktionen för flera elektroner används elektronernas densitet n(r) som huvudvariabel, vilket gör beräkningarna betydligt mer hanterbara samtidigt som de ofta ger god precision för många egenskaper.

Teoretiska grunder. Hohenberg–Kohn-teoremen visar att alla grundtillståndsegenskaper hos ett elektroniskt system kan beskrivas som funktionaler av densiteten n(r), och att den externa potentialen v_ext är bestämd av densiteten upp till en konstant. Den praktiska beräkningen inför sedan en icke-interagerande referensmodell med samma densitet (Kohn–Sham-formuleringen). Energin delas upp i den kinetiska energin för det icke-interagerande systemet, Coulomb-energin, samt en exchange-correlation-funktional Exc[n] som fångar återstoden av elektron-elektron-interaktionerna. Genom att lösa Kohn–Sham-ekvationerna får man orbitaler och densiteten som uppnås vid energiminimum.

Funktionaler och beräkningar. Använda funktionaler inkluderar Local Density Approximation (LDA), Generalized Gradient Approximation (GGA, exempelvis PBE), samt meta-GGA och hybrider (t.ex. PBE0, B3LYP). För icke-lokala eller dispersionsrelaterade interaktioner används dispersionstillägg (DFT-D3/D4) eller van der Waals–funktionaler.

Användning och begränsningar. DFT är en standardmetod inom kemi och materialvetenskap för att beräkna geometriska strukturer, energier, reaktionsvägar och bandstrukturer. Begränsningar inkluderar att bandgap ofta undervärderas, självinteraktion och brister i beskrivningen av starkt korrelerade system. TD-DFT används för excitationsstudier, men resultat beror starkt på valt funktional.