We integrate the all-electron electronic structure code FHI-aims into the general ChemShell package for solid-state embedding quantum and molecular mechanical (QM/MM) calculations. A major undertaking in this integration is the implementation of pseudopotential functionality into FHI-aims to describe cations at the QM/MM boundary through effective core potentials and therewith prevent spurious overpolarization of the electronic density. Based on numeric atomic orbital basis sets, FHI-aims offers particularly efficient access to exact exchange and second order perturbation theory, rendering the established QM/MM setup an ideal tool for hybrid and double-hybrid level density functional theory calculations of solid systems. We illustrate this capability by calculating the reduction potential of Fe in the Fe-substituted ZSM-5 zeolitic framework and the reaction energy profile for (photo-)catalytic water oxidation at TiO2(110).

1.
G.
Makov
and
M. C.
Payne
,
Phys. Rev. B
51
,
4014
(
1995
).
2.
S.
Lany
and
A.
Zunger
,
Model. Simul. Mater. Sci. Eng.
17
,
084002
(
2009
).
3.
C.
Freysoldt
,
J.
Neugebauer
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
016402
(
2009
).
4.
N.
Bernstein
,
J. R.
Kermode
, and
G.
Csányi
,
Rep. Prog. Phys.
72
,
026501
(
2009
).
5.
V.
Blum
,
R.
Gehrke
,
F.
Hanke
,
P.
Havu
,
V.
Havu
,
X.
Ren
,
K.
Reuter
, and
M.
Scheffler
,
Comput. Phys. Commun
180
,
2175
(
2009
).
6.
P.
Sherwood
,
A. H.
de Vries
,
M. F.
Guest
,
G.
Schreckenbach
,
C. R. A.
Catlow
,
S. A.
French
,
A. A.
Sokol
,
S. T.
Bromley
,
W.
Thiel
,
A. J.
Turner
,
S.
Billeter
,
F.
Terstegen
,
S.
Thiel
,
J.
Kendrick
,
S. C.
Rogers
,
J.
Casci
,
M.
Watson
,
F.
King
,
E.
Karlsen
,
M.
Sjövoll
,
A.
Fahmi
,
A.
Schäfer
, and
C.
Lennartz
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
632
,
1
(
2003
).
7.
A. A.
Sokol
,
S. T.
Bromley
,
S. A.
French
,
C. R. A.
Catlow
, and
P.
Sherwood
,
Int. J. Quantum Chem.
99
,
695
(
2004
).
8.
I. Y.
Zhang
,
X.
Ren
,
P.
Rinke
,
V.
Blum
, and
M.
Scheffler
,
New J. Phys.
15
,
123033
(
2013
).
9.
X.
Ren
,
P.
Rinke
,
V.
Blum
,
J.
Wieferink
,
A.
Tkatchenko
,
A.
Sanfilippo
,
K.
Reuter
, and
M.
Scheffler
,
New J. Phys.
14
,
053020
(
2012
).
10.
V.
Havu
,
V.
Blum
,
P.
Havu
, and
M.
Scheffler
,
J. Comput. Phys.
228
,
8367
(
2009
).
11.
T.
Auckenthaler
,
V.
Blum
,
H.-J.
Bungartz
,
T.
Huckle
,
R.
Johanni
,
L.
Krämer
,
B.
Lang
,
H.
Lederer
, and
P. R.
Willems
,
Parallel Comput.
37
,
783
(
2011
).
12.
A.
Marek
,
V.
Blum
,
R.
Johanni
,
B.
Lang
,
V.
Havu
,
T.
Auckenthaler
,
A.
Heinecke
,
H.-J.
Bungartz
, and
H.
Lederer
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
213201
(
2014
); Psi-k Scientific Highlight for December, 2013, see http://www.psi-k.org/newsletters/News_120/Highlight_120.pdf, 2014.
13.
X.
Ren
,
P.
Rinke
,
C.
Joas
, and
M.
Scheffler
,
J. Mater. Sci.
47
,
7447
(
2012
).
14.
L.
Kleinman
and
D. M.
Bylander
,
Phys. Rev. Lett.
48
,
1425
(
1982
).
15.
M. F.
Guest
,
I. J.
Bush
,
H. J. J.
Van Dam
,
P.
Sherwood
,
J. M. H.
Thomas
,
J. H.
Van Lenthe
,
R. W. A.
Havenith
, and
J.
Kendrick
,
Mol. Phys.
103
,
719
(
2005
).
16.
U. C.
Singh
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
7
,
718
(
1986
).
17.
M. J.
Field
,
P. A.
Bash
, and
M.
Karplus
,
J. Comput. Chem.
11
,
700
(
1990
).
18.
J. D.
Gale
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans.
93
,
629
(
1997
).
19.
T. R.
Forester
,
W.
Smith
, and
I. T.
Todorov
,
The DL_POLY 2.0 User Manual
(
Daresbury Laboratory
,
STFC Daresbury Laboratory, Cheshire, UK
,
2008
).
20.
J.
Kästner
,
J. M.
Carr
,
T. W.
Keal
,
W.
Thiel
,
A.
Wander
, and
P.
Sherwood
,
J. Phys. Chem. A
113
,
11856
(
2009
).
21.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
88
,
2547
(
1988
).
22.
B.
Delley
,
J. Chem. Phys.
92
,
508
(
1990
).
23.
B. J.
Austin
,
V.
Heine
, and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
127
,
276
(
1962
).
24.
M.
Fuchs
and
M.
Scheffler
,
Comput. Phys. Commun.
119
,
67
(
1999
).
25.
Fhi98pp source, see http://th.fhi-berlin.mpg.de/th/fhi98md/download/index.html#fhipp; accessed 2013-09-30.
26.
Abinit web page, see http://www.abinit.org/downloads/psp-links/pseudopotentials; accessed 2013-09-29.
27.
X.
Gonze
,
R.
Stumpf
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. B
44
,
8503
(
1991
).
28.
J. D.
Talman
,
Int. J. Quantum Chem.
93
,
72
(
2003
).
29.
J. D.
Talman
,
Int. J. Quantum Chem.
95
,
442
(
2003
).
30.
J. D.
Talman
,
Comput. Phys. Commun.
180
,
332
(
2009
).
31.
H. M.
Barrer
,
Hydrothermal Chemistry of Zeolites
(
Academic Press
,
1982
).
32.
J. M. H.
Thomas
,
Sci. Am.
266
,
112
(
1992
).
33.
T. W.
Keal
,
P.
Sherwood
,
G.
Dutta
,
A. A.
Sokol
, and
C. R. A.
Catlow
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
467
,
1900
(
2011
).
34.
J.
To
,
A. A.
Sokol
,
S. A.
French
,
N.
Kaltsoyannis
, and
C. R. A.
Catlow
,
J. Chem. Phys.
122
,
144704
(
2005
).
35.
G.
Pacchioni
,
F.
Frigoli
,
D.
Ricci
, and
J. A.
Weil
,
Phys. Rev. B
63
,
054102
(
2000
).
36.
J. A.
Ryder
,
A. K.
Chakraborty
, and
A. T.
Bell
,
J. Catal.
220
,
84
(
2003
).
37.
H.
Guesmi
,
D.
Berthomieu
,
B.
Bromley
,
B.
Coq
, and
L.
Kiwi-Minsker
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
2873
(
2010
).
38.
M. F.
Fellah
,
I.
Onal
, and
R. A.
van Santen
,
J. Phys. Chem. C
114
,
12580
(
2010
).
39.
M. F.
Fellah
,
E. A.
Pidko
,
R. A.
van Santen
, and
I.
Onal
,
J. Phys. Chem. C
115
,
9668
(
2011
).
40.
M. F.
Fellah
and
I.
Onal
,
J. Phys. Chem. C
116
,
13616
(
2012
).
41.
A. H.
de Vries
,
P.
Sherwood
,
S. J.
Collins
,
A. M.
Rigby
,
M.
Rigutto
, and
G.
Jan Kramer
,
J. Phys. Chem. B
103
,
6133
(
1999
).
42.
U.
Eichler
,
M.
Brändle
, and
J.
Sauer
,
J. Phys. Chem. B
101
,
10035
(
1997
).
43.
X.
Solans-Monfort
,
V.
Branchadell
,
M.
Sodupe
,
M.
Sierka
, and
J.
Sauer
,
J. Chem. Phys.
121
,
6034
(
2004
).
44.
P.
Sherwood
,
A. H.
de Vries
,
S. J.
Collins
,
S. P.
Greatbanks
,
N. A.
Burton
,
M. A.
Vincent
, and
I. H.
Hillier
,
Faraday Discuss.
106
,
79
(
1997
).
45.
Y.
Zhang
,
X.
Xu
, and
W. A.
Goddard
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
106
,
4963
(
2009
).
46.
J.-R.
Hill
and
J.
Sauer
,
J. Phys. Chem.
99
,
9536
(
1995
).
47.
R.
Ahlrichs
and
P. R.
Taylor
,
J. Chim. Phys.
78
,
315
(
1981
).
48.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
49.
C.
Adamo
and
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
110
,
6158
(
1999
).
50.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
51.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
52.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
53.
P. J.
Stephens
,
F. J.
Devlin
,
C. F.
Chabalowski
, and
M. J.
Frisch
,
J. Phys. Chem.
98
,
11623
(
1994
).
54.
S. F.
Boys
and
F.
Bernardi
,
Mol. Phys.
19
,
553
(
1970
).
55.
J.
Pérez-Ramírez
,
G.
Mul
,
F.
Kapteijn
,
J. A.
Moulijn
,
A. R.
Overweg
,
A.
Doménech
,
A.
Ribera
, and
I. W. C. E.
Arends
,
J. Catal.
207
,
113
(
2002
).
56.
L.
Guimarães
,
H. A.
de Abreu
, and
H. A.
Duarte
,
Chem. Phys.
333
,
10
(
2007
).
57.
U.
Diebold
,
Surf. Sci. Rep.
48
,
53
(
2003
).
58.
A.
Fujishima
,
X.
Zhang
, and
D. A.
Tryk
,
Surf. Sci. Rep.
63
,
515
(
2008
).
59.
M. A.
Henderson
,
Surf. Sci. Rep.
66
,
185
(
2011
).
60.
T. L.
Thompson
and
J. T.
Yates
 Jr.
,
Top. Catal.
35
,
197
(
2005
).
61.
J. K.
Nørskov
,
J.
Rossmeisl
,
A.
Logadottir
,
L.
Lindqvist
,
J. R.
Kitchin
,
T.
Bligaard
, and
H.
Jónsson
,
J. Phys. Chem. B
108
,
17886
(
2004
).
62.
Á.
Valdés
,
Z.-W.
Qu
,
G.-J.
Kroes
,
J.
Rossmeisl
, and
J. K.
Nørskov
,
J. Phys. Chem. C
112
,
9872
(
2008
).
63.
B.
Hammer
,
L. B.
Hansen
, and
J. K.
Nørskov
,
Phys. Rev. B
59
,
7413
(
1999
).
64.
P. J. D.
Lindan
and
C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
72
,
075439
(
2005
).
65.
Z.-W.
Qu
and
G.-J.
Kroes
,
J. Phys. Chem. B
110
,
23306
(
2006
).
66.
R.
Ferrando
, personal communication (
2009
).
67.
M.
Garciá-Mota
,
A.
Vojvodic
,
H.
Metiu
,
I. C.
Man
,
H.-Y.
Su
,
J.
Rossmeisl
, and
J. K.
Nørskov
,
ChemCatChem
3
,
1607
(
2011
).
68.
M.
Garciá-Mota
,
A.
Vojvodic
,
F.
Abild-Pedersen
, and
J. K.
Nørskov
,
J. Phys. Chem. C
117
,
460
(
2013
).
69.
S. C.
Ammal
and
A.
Heyden
,
J. Chem. Phys.
133
,
164703
(
2010
).
70.
A.
Jentys
and
C. R. A.
Catlow
,
Catal. Lett.
22
,
251
(
1993
).
71.
H.
Oberhofer
and
K.
Reuter
,
J. Chem. Phys.
139
,
044710
(
2013
).
72.
I. C.
Man
,
H.-Y.
Su
,
F.
Calle-Vallejo
,
H. A.
Hansen
,
J. I.
Martínez
,
N. G.
Inoglu
,
J.
Kitchin
,
T. F.
Jaramillo
,
J. K.
Nørskov
, and
J.
Rossmeisl
,
ChemCatChem
3
,
1159
(
2011
).
73.
D.
van der Vliet
,
D. S.
Strmcnik
,
C.
Wang
,
V. R.
Stamenkovic
,
N. M.
Markovic
, and
M. T. M.
Koper
,
J. Electroanal. Chem.
647
,
29
(
2010
).
74.
S. G.
Louie
,
S.
Froyen
, and
M. L.
Cohen
,
Phys. Rev. B
26
,
1738
(
1982
).
75.
D.
Porezag
,
M. R.
Pederson
, and
A. Y.
Liu
,
Phys. Rev. B
60
,
14132
(
1999
).
76.
P.
Pulay
,
Mol. Phys.
17
,
197
(
1969
).
77.
J.
Gerratt
and
I. M.
Mills
,
J. Chem. Phys.
49
,
1719
(
1968
).
78.
J.
Gerratt
and
I. M.
Mills
,
J. Chem. Phys.
49
,
1730
(
1968
).
You do not currently have access to this content.