Predicting exchange coupling in molecular systems with Density Functional Theory

Abstract

Tiheysfunktionaaliteoria on ottanut paikkansa vakiintuneena kvanttikemian työkaluna sen laskennallisen tehokkuutensa ansiosta verrattuna moniin aaltofunktiomenetelmiin. Molekyylimagnetismin ja vaihtokytkettyjen molekylaaristen systeemien keksimisen jälkeen tiheysfunktionaaliteoria on osoittautunut erinomaiseksi menetelmäksi vaihtokytkennän suuruuden ja tyypin määrittämiseen molekyylien energioiden pohjalta. Validointikokeet ovat osoittaneet, että oikea vaihtokorrelaatiofunktionaalin ja kantajoukon yhdistelmä voi tuottaa vaihtokytkentävakioita, jotka ovat lähellä kirjallisuusarvoja, vaikka eri yhdistelmien suorituskyky voikin vaihdella suuresti. Tässä työssä tarkastellaan tiheysfunktionaaliteorian ja magnetismin teoriaa keskittyen vaihtokytkentään, ja siihen, miten nykyiset tiheysfunktionaalimenetelmät onnistuvat tuottamaan tarkkoja kytkentävakioita.

Density Functional Theory has become a well-established approach among modern quantum chemistry theories due to its relatively low computational cost compared to many wave function-based methods. After the introduction of molecular magnetism and exchange-coupled molecular systems, density functional theory has proven to be suitable for accurately determining the strength and type of exchange coupling based on molecular energies. In validation studies it has been shown that the right combination of exchange-correlation functional and basis set can provide exchange coupling constants that are in good agreement with experimental data, although the performance of different combinations can vary tremendously. In this work, the theory of density functional theory and magnetism are reviewed, focusing on exchange coupling and how modern density functional approaches can succeed in delivering accurate exchange coupling constants.