Lattice energies of molecular solids

• Thesis title in Czech: Vazebné energie molekulárních krystalů
• Thesis title in English: Lattice energies of molecular solids
• Key words: molekulární krystaly, vazebné energie, ab-initio metody
• English key words: molecular solids, lattice energies, ab-initio methods
• Academic year of topic announcement: 2016/2017
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Supervisor: doc. Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 04.10.2016
• Date of assignment: 04.10.2016
• Confirmed by Study dept. on: 14.02.2017
• Date and time of defence: 21.06.2017 00:00
• Date of electronic submission: 18.05.2017
• Date of submission of printed version: 18.05.2017
• Date of proceeded defence: 21.06.2017
• Opponents: RNDr. Ota Bludský, CSc.

Guidelines

Cílem práce je vypočítat vazebné energie molekulárních krystalů jednoduchých molekul pomocí přesných kvantově-chemických metod.

1) Nastudování literatury (molekulární krystaly, ab initio výpočty), seznámení se s výpočetními programy.
2) Výpočet Hartree-Fockovy energie pomocí klastrové expanze a výpočtu využívajícího periodické okrajové podmínky.
3) Výpočet vazebné energie pomocí korelovaných metod (MP2 a CCSD(T)).
4) Studium konvergence metody klastrové expanze pro různé molekuly.
5) Sepsání práce a prezentace výsledků.

References

N. Ostlund, A. Szabo: Modern Quantum Chemistry, McGraw-Hill Inc. New York, 1989
W. Yang, J. A. Parr: Density Functional Theory, Wiley, NY, 1998
I. Shavitt, R. J. Bartlett: Many-body Methods in Chemistry and Physics, Cambridge University Press, Cambridge, 2009
F. Manby (ed.): Accurate Condensed-Phase Quantum Chemistry, CRC Press, 2010

Časopisecká literatura, např.:

J. Yang, W. Hu, D. Usvyat, D. Matthews, M. Schütz, G. K. Chan:
Ab initio determination of the crystalline benzene lattice energy to sub-kilojoule/mole accuracy
Science 345, 640 (2014)

A. Grüneis, M. Marsman, G. Kresse:
Second-order Moller-Plesset perturbation theory applied to extended systems. II. Structural and energetic properties
J. Chem. Phys. 133, 074107 (2010)

G. H. Booth, A. Grüneis, G. Kresse, A. Alavi:
Towards an exact description of electronic wavefunctions in real solids
Nature, 493, 365 (2013)

Preliminary scope of work

Přesný výpočet vazebných energií molekuárních krystalů je obtížný, jelikož různé
interakce (vodíkové můstky, disperse, indukce) musejí být popsány s dostatečnou
přesností. V součastnosti se pro takovéto výpočty nejvíce používají metody založené
na poruchové teorii, jako např. metoda Moller-Plesset druhého řádu (MP2) nebo
spražené klastry (CC). Vazebné energie potom mohou být vypočteny pomocí
klastrové expanze, ve které se sečtou příspěvky dimerů molekul, trimerů, atd.
V práci student/ka provede výpočty vazebných energií jednoduchých molekul
s velmi přesnými metodami a bude studovat, jak rychle vazebná energie konverguje
v závislosti na různých parametrech metody klastrové expanze (např. nejvyšší
počet molekul v klastru, nejvyšší uvažovaná vzdálenost molekul, ...) a na fyzikálních
vlastnostech uvažované molekuly.

Student/ka se seznámí s metodami, které se používají pro studium vlastností molekul,
jejich klastrů a pevných látek. Dále s jejich implementací ve výpočetních programech,
především v programu VASP, a s výpočty na výpočetních klastrech a superpočítačích.

Preliminary scope of work in English

The calculation of reliable lattice energies of molecular solids represents
a challenge for theoretical methods as different types of bonding need to
be described accurately. Currently, the most widely used methods used for this
task are based on perturbation theory. Namely, the second order Moller-Plesset
perturbation theory (MP2) or the coupled cluster approach (CC) are often employed.
The so-called cluster expansion can be then used, in which the contributions of
the dimers, trimers, etc. of molecules are summed up to obtain the final lattice
energy. In this work, the student will use these methods to obtain lattice energies
of several simple molecules and will investigate the dependence of the convergence
rate of the cluster expansion on the parameters used in this scheme (e.g., the
largest number of molecules considered in the cluster, the distance cut-off for
the interactions, etc.) and on the physical properties of the considered molecule.

The student will learn methods that are widely used to study molecules, their clusters,
as well as solids, how they are implemented in computational programmes, such as the VASP code.
They will also learn how to perform calculations on computational clusters and supercomputers.