BDF软件简介

BDF（Beijing Density Functional）是一个独立完整、具有完全自主知识产权的量子化学计算软件包，也是国际上第一个基于现代密度泛函理论、能准确计算分子体系基态总能量的完全相对论密度泛函程序（早期的类似程序因数值积分精度太差不能准确计算总能量）。

BDF的研发始于1993年，并于1997年正式命名 [1]。最初的想法是对稀土、锕系、过渡金属、超重元素等小分子体系进行高精度计算，考察这些体系中的相对论效应，因此一开始就采用基于Dirac算符的完全相对论密度泛函理论（4C-DFT）和近乎完备的基函数“数值基+STO”（Slater-type orbital）。正因为如此，BDF对稀土、锕系、超重元素的计算结果一直被作为检验其他近似相对论方法的基准。BDF对重元素体系电子、分子结构的计算结果被后续20余个实验验证。

2009年开始引入基于高斯基的解析积分，BDF进入一个新的发展阶段。

毋庸讳言，BDF一开始就定位于发展新理论、新方法和新算法的平台，因此是一款“科研软件”。基于BDF发展的理论和方法包括：相对论含时密度泛函理论（4C/ZORA/X2C-TDDFT） [2, 3, 4, 5, 6, 7]、精确二分量（X2C）相对论理论 [8, 9, 10]、准四分量（Q4C）相对论理论 [10, 11]、自旋分离的X2C相对论理论（sf-X2C+so-DKHn） [12, 13]、多体有效量子电动力学（eQED） [14, 15]、相对论核磁理论（4C/X2C-NMR） [16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]、相对论核自旋-转动理论（4C-NSR） [23, 24, 25]、相对论能带理论（X2C-PBC） [26]、X2C解析梯度和Hessian [27]；激发态HF/KS方法（mom） [28]；基于“用分子片合成分子” （F2M）思想的轨道局域化方案（FLMO） [28, 29, 30]、亚线性标度含时密度泛函理论（FLMO-TDDFT） [31]、亚线性标度NMR方法（FLMO-NMR） [32]、迭代轨道相互作用 “自下而上”自洽场方法（iOI） [33]；自旋匹配开壳层含时密度泛函理论（SA-TDDFT） [34, 35, 36, 37, 38]、自旋反转含时密度泛函理论（SF-TDDFT） [39]、基态/激发态-激发态非绝热耦合含时密度泛函理论（NAC-TDDFT） [40, 41, 42]、含时密度泛函理论解析能量梯度 [43]、任意单值/双值点群对称化 [44] 等。

除了上述相对论/非相对论密度泛函、含时密度泛函理论，BDF还有基于“先静态再动态又静态”（SDS）思想的波函数电子相关方法SDSPT2 [45]、SDSCI [45]、iCI [46]、iCIPT2 [47, 48]、iCAS [49]、iCISCF [50]、SOC-iCI、iCI-SOC，以及直接求解大矩阵内部本征态的iVI方法 [51, 52] 等等。

2021年7月与鸿之微科技（上海）股份有限公司签署协议，双方合作推广BDF的商业化。鉴于BDF的现状，首期商业化版本将以荧/磷光材料发光机理和材料设计为主要应用目标，因此不包括4C/X2C相对论、波函数电子相关、固体能带/核磁等方法。即首期商业化的BDF将以DFT、TDDFT等特色功能为主，包括

  • 基态与激发态（通过ΔSCF）的能量：Hartree-Fock，Kohn-Sham DFT，包括LDA，GGA，meta-GGA，范围分离泛函，杂化泛函，双杂化泛函，等，支持色散校正

  • 激发态计算：TDDFT和TDA（包括FLMO-TDDFT、SF-TDDFT，X-TDDFT，XAS-TDDFT，等），以及MOM

  • TDDFT激发态偶极矩

  • 自旋轨道耦合：sf-X2C/SA-TDDFT/SOC

  • 激发态非绝热耦合：NAC-TDDFT

  • 基态、ΔSCF激发态、SA-TDDFT激发态的解析梯度和半数值Hessian（振动频率）

  • 结构优化：稳定结构优化，过渡态优化，最小能量交点（MECP），圆锥交点

  • 能量转移，电子转移积分

  • QM/MM

  • 隐式溶剂化模型

  • FLMO-NMR、基于局域轨道（FLMO）性质计算和分析

BDF的研发任重而道远。其成功与否不仅取决于研发人员的长期努力，更离不开广大用户的鼓励和支持。