The accurate determination of the preferred Si12C12 isomer is important to guide experimental efforts directed towards synthesizing SiC nano-wires and related polymer structures which are anticipated to be highly efficient exciton materials for the opto-electronic devices. In order to definitively identify preferred isomeric structures for silicon carbon nano-clusters, highly accurate geometries, energies, and harmonic zero point energies have been computed using coupled-cluster theory with systematic extrapolation to the complete basis limit for set of silicon carbon clusters ranging in size from SiC3 to Si12C12. It is found that post-MBPT(2) correlation energy plays a significant role in obtaining converged relative isomer energies, suggesting that predictions using low rung density functional methods will not have adequate accuracy. Utilizing the best composite coupled-cluster energy that is still computationally feasible, entailing a 3-4 SCF and coupled-cluster theory with singles and doubles extrapolation with triple-ζ (T) correlation, the closo Si12C12 isomer is identified to be the preferred isomer in the support of previous calculations [X. F. Duan and L. W. Burggraf, J. Chem. Phys. 142, 034303 (2015)]. Additionally we have investigated more pragmatic approaches to obtaining accurate silicon carbide isomer energies, including the use of frozen natural orbital coupled-cluster theory and several rungs of standard and double-hybrid density functional theory. Frozen natural orbitals as a way to compute post-MBPT(2) correlation energy are found to be an excellent balance between efficiency and accuracy.

1.
F. A.
Zwanenburg
,
A. S.
Dzurak
,
A.
Morello
,
M. Y.
Simmons
,
L. C. L.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
,
S.
Rogge
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
961
(
2013
).
2.
J.
Leuthold
,
C.
Koos
, and
W.
Freude
,
Nat. Photonics
4
,
535
(
2010
).
4.
M.
Widmann
,
S.-Y.
Lee
,
T.
Rendler
,
N. T.
Son
,
H.
Fedder
,
S.
Paik
,
L.-P.
Yang
,
N.
Zhao
,
S.
Yang
,
I.
Booker
,
A.
Denisenko
,
M.
Jamali
,
S. A.
Momenzadeh
,
I.
Gerhardt
,
T.
Ohshima
,
A.
Gali
,
E.
Janzén
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Mater.
14
,
164
(
2015
).
5.
G. D.
Scholes
and
G.
Rumbles
,
Nat. Mater.
5
,
683
(
2006
).
6.
S. W.
Koch
,
M.
Kira
,
G.
Khitrova
, and
H. M.
Gibbs
,
Nat. Mater.
5
,
523
(
2006
).
7.
M.
Radulaski
,
T. M.
Babinec
,
S.
Buckley
,
A.
Rundquist
,
J.
Provine
,
K.
Alassaad
,
G.
Ferro
, and
J.
Vučković
,
Opt. Express
21
,
32623
(
2013
).
8.
X. T.
Zhou
,
R. Q.
Zhang
,
H. Y.
Peng
,
N. G.
Shang
,
N.
Wang
,
I.
Bello
,
C. S.
Lee
, and
S. T.
Lee
,
Chem. Phys. Lett.
332
,
215
(
2000
).
9.
Y.
Ryu
,
B.
Park
,
Y.
Song
, and
K. J.
Yong
,
J. Cryst. Growth
271
,
99
(
2004
).
10.
W.
Yang
,
H.
Araki
,
C. C.
Tang
,
S.
Thaveethavorn
,
A.
Kohyama
,
H.
Suzuki
, and
T.
Noda
,
Adv. Mater.
17
,
1519
(
2005
).
11.
J. P.
Alper
,
M.
Vincent
,
C.
Carraro
, and
R.
Maboudian
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
163901
(
2012
).
12.
M.
Ollivier
,
L.
Latu-Romain
,
M.
Martin
,
S.
David
,
A.
Mantoux
,
E.
Bano
,
V.
Soulière
,
G.
Ferro
, and
T.
Baron
,
J. Cryst. Growth
363
,
158
(
2013
).
13.
N. F. F. B.
Nazarudin
,
N. J. B. M.
Noor
,
S. A.
Rahman
, and
B. T.
Goh
,
J. Lumin.
157
,
149
(
2015
).
14.
B. T.
Goh
and
S. A.
Rahman
,
Mater. Chem. Phys.
147
,
974
(
2014
).
15.
16.
Y. X. S.
Chabi
,
H.
Chang
, and
Y.
Zhu
,
Nanotechnology
27
,
075602
(
2016
).
17.
P.
Mélinon
,
B.
Masenelli
,
F.
Tournus
, and
A.
Perez
,
Nat. Mater.
6
,
479
(
2007
).
18.
E.
Bekaroglu
,
M.
Topsakal
,
S.
Cahangirov
, and
S.
Ciraci
,
Phys. Rev. B
81
,
075433
(
2010
).
19.
P.
Li
,
R.
Zhou
, and
X. C.
Zeng
,
Nanoscale
6
,
11685
(
2014
).
20.
X. F.
Duan
and
L. W.
Burggraf
,
J. Chem. Phys.
144
,
114309
(
2016
).
21.
P. W.
Merrill
,
Publ. Astron. Soc. Pac.
38
,
175
(
1926
).
22.
R. F.
Sanford
,
Publ. Astron. Soc. Pac.
38
,
177
(
1926
).
23.
B.
Kleman
,
Astrophys. J.
123
,
162
(
1956
).
24.
J.
Cernicharo
,
C. A.
Gottlieb
,
M.
Guelin
,
P.
Thaddeus
, and
J. M.
Vrtilek
,
Astrophys J.
341
,
L25
(
1989
).
25.
A. J.
Apponi
,
M. C.
McCarthy
,
C. A.
Gottlieb
, and
P.
Thaddeus
,
Astrophys. J.
516
,
L103
(
1999
).
26.
M.
Ohishi
,
N.
Kaifu
,
K.
Kawaguchi
 et al,
Astrophys. J.
345
,
L83
(
1989
).
27.
P. F.
Bernath
,
S. A.
Rogers
,
L. C.
O’Brien
,
C. R.
Brazier
, and
A. D.
McLean
,
Phys. Rev. Lett.
60
,
197
(
1988
).
28.
R. A.
Shepherd
and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
82
,
4788
(
1985
).
29.
D. L.
Michalopoulos
,
M. E.
Geusic
,
P. R. R.
Langridge-Smith
, and
R. E.
Smalley
,
J. Chem. Phys.
80
,
3556
(
1984
).
30.
J. D.
Presilla-Márquez
and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
95
,
5612
(
1991
).
31.
J. D.
Presilla-Márquez
,
W. R. M.
Graham
, and
R. A.
Shepherd
,
J. Chem. Phys.
93
,
5224
(
1990
).
32.
P. A.
Withey
and
W. R.
Graham
,
J. Chem. Phys.
96
,
4068
(
1992
).
33.
A. V.
Orden
,
R. A.
Provencal
,
T. F.
Giesen
, and
R. J.
Saykally
,
Chem. Phys. Lett.
237
,
77
(
1995
).
34.
X. D.
Ding
,
S. L.
Wang
,
C. M. L.
Rittby
, and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
110
,
11214
(
1999
).
35.
X. D.
Ding
,
S. L.
Wang
,
C. M.
Rittby
, and
W. R. M.
Graham
,
J. Phys. Chem. A
104
,
3712
(
2000
).
36.
T. G.
,
C. M.
Rittby
, and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
140
,
064314
(
2014
).
37.
Z. H.
Kafafi
,
R. H.
Hauge
,
L.
Fredin
, and
J. L.
Margrave
,
J. Phys. Chem.
87
,
797
(
1983
).
38.
N. J.
Reilly
,
P. B.
Changala
,
J. H.
Baraban
,
D. L.
Kokkin
,
J. F.
Stanton
, and
M. C.
McCarthy
,
J. Chem. Phys.
142
,
231101
(
2015
).
39.
J. D.
Presilla-Márquez
,
S. C.
Gay
,
C. M. L.
Rittby
, and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
102
,
6354
(
1995
).
40.
J. D.
Presilla-Márquez
and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
100
,
181
(
1994
).
41.
A. V.
Orden
,
T. F.
Giesen
,
R. A.
Provencal
, and
R. J.
Saykally
,
J. Chem. Phys.
101
,
10237
(
1994
).
42.
S.
Thorwirth
,
J.
Krieg
,
V.
Lutter
,
I.
Keppeler
,
S.
Schlemmer
,
M. E.
Harding
,
J.
Vázquez
, and
T. F.
Giesen
,
J. Mol. Spectrosc.
270
,
75
(
2011
).
43.
J. D.
Presilla-Márquez
,
C. M.
Rittby
, and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
106
,
8367
(
1997
).
44.
T. G.
,
C. M.
Rittby
, and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
141
,
044315
(
2014
).
45.
J. D.
Presilla-Márquez
and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
96
,
6509
(
1992
).
46.
J. D.
Presilla-Márquez
and
W. R. M.
Graham
,
J. Chem. Phys.
104
,
2818
(
1996
).
47.
N. X.
Truong
,
M.
Savoca
,
D. J.
Harding
,
A.
Fielicke
, and
O.
Dopfer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
18961
(
2015
).
48.
M.
Savoca
,
A.
Lagutschenkow
,
J.
Langer
,
D. J.
Harding
,
A.
Fielicke
, and
O.
Dopfer
,
J. Phys. Chem. A
117
,
1158
(
2013
).
49.
C. M. L.
Rittby
,
J. Chem. Phys.
96
,
6768
(
1992
).
50.
C. M. L.
Rittby
,
J. Chem. Phys.
100
,
175
(
1994
).
51.
R. S.
Grev
and
H. F.
Schaefer
,
J. Chem. Phys.
80
,
3552
(
1984
).
52.
R. S.
Grev
and
H. F.
Schaefer
,
J. Chem. Phys.
82
,
4126
(
1985
).
53.
R. S.
Grev
and
H. F.
Schaefer
,
Chem. Phys. Lett.
119
,
111
(
1985
).
54.
I. L.
Alberts
,
R. S.
Grev
, and
H. F.
Schaefer
,
J. Chem. Phys.
93
,
5046
(
1990
).
55.
Z. Y.
Jiang
,
X. H.
Xu
,
H. S.
Wu
,
F. Q.
Zhangand
, and
Z. H.
Jin
,
J. Mol. Struct.
589
,
103
(
2002
).
56.
Z. Y.
Jiang
,
X. H.
Xu
,
H. S.
Wu
,
F. Q.
Zhangand
, and
Z. H.
Jin
,
Chin. J. Struct. Chem.
22
,
459
(
2003
).
57.
Z. Y.
Jiang
,
X. H.
Xu
,
H. S.
Wu
, and
Z. H.
Jin
,
J. Phys. Chem. A
107
,
10126
(
2003
).
58.
Z. Y.
Jiang
,
X. H.
Xu
,
H. S.
Wu
,
F. Q.
Zhang
, and
Z. H.
Jin
,
J. Mol. Struct.
624
,
61
(
2003
).
59.
Z. Y.
Jiang
,
X. H.
Xu
,
H. S.
Wu
,
F. Q.
Zhang
, and
Z. H.
Jin
,
J. Mol. Struct.
621
,
279
(
2003
).
60.
J.
Hou
and
B.
Song
,
J. Chem. Phys.
128
,
154304
(
2008
).
61.
B.
Song
,
Y.
Yong
,
J.
Hou
, and
P.
He
,
Eur. Phys. J. D
59
,
399
(
2010
).
62.
J.
Zhang
,
W. C.
Lu
,
Q. J.
Zang
,
L. Z.
Zhao
,
C. Z.
Wang
, and
K. M.
Ho
,
J. Phys.: Condens. Matter
23
,
205305
(
2011
).
63.
S.
Erkoc
and
L.
Turker
,
Physica E
8
,
50
(
2000
).
64.
Q. X.
Li
,
W. C.
Lu
,
Q. J.
Zang
,
L. Z.
Zhao
,
C. Z.
Wangand
, and
K. M.
Ho
,
Comput. Theor. Chem.
963
,
439
(
2011
).
65.
S.
Hunsicker
and
R. O.
Jones
,
J. Chem. Phys.
105
,
5048
(
1996
).
66.
A. D.
Zdetsis
,
G.
Froudakis
,
M.
Muhlhauser
, and
H.
Thumnel
,
J. Chem. Phys.
104
,
2566
(
1996
).
67.
M.
AzeezullaNazrulla
,
K.
Joshi
,
S.
Israel
, and
S.
Krishnamurty
,
Physica E
76
,
173
(
2016
).
68.
M. R.
Momeni
and
F. A.
Shakib
,
Chem. Phys. Lett.
492
,
137
(
2010
).
69.
M. N.
Huda
and
A. K.
Ray
,
Chem. Phys. Lett.
457
,
124
(
2008
).
70.
R.
Scipioni
,
M.
Matsubara
,
E.
Ruiz
,
C.
Massobrio
, and
M.
Boero
,
Chem. Phys. Lett.
510
,
14
(
2011
).
71.
M.
Yu
,
C. S.
Jayanthi
, and
S. Y.
Wu
,
Nanotechnology
23
,
235705
(
2012
).
72.
P.
Pochet
,
L.
Genovese
,
D.
Caliste
,
I.
Rousseau
,
S.
Goedecker
, and
T.
Deutsch
,
Phys. Rev. B
82
,
035431
(
2010
).
73.
J.
Tillmann
,
J. H.
Wender
,
U.
Bahr
,
M.
Bolte
,
H.-W.
Lerner
,
M. C.
Holthausen
, and
M.
Wagner
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
5429
(
2015
).
74.
M.
Neek-Amal
,
A.
Sadeghi
,
G. R.
Berdiyorov
, and
F. M.
Peeters
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
261904
(
2013
).
75.
G. R.
Berdiyorov
,
M.
Neek-Amal
,
F. M.
Peeters
, and
A.
van Duin
,
Phys. Rev. B
89
,
024107
(
2014
).
76.
X.
Duan
,
J.
Wei
,
L.
Burggraf
, and
D.
Weeks
,
Comput. Mater. Sci.
47
,
630
(
2010
).
77.
X. F.
Duan
,
L. W.
Burggraf
, and
L.
Huang
,
Molecules
18
,
8591
(
2013
).
78.
X. F.
Duan
and
L. W.
Burggraf
,
J. Chem. Phys.
142
,
034303
(
2015
).
79.
J. F.
Stanton
,
J.
Gauss
,
S. A.
Perera
,
A.
Yau
,
J. D.
Watts
,
M.
Nooijen
,
N.
Oliphant
,
P. G.
Szalay
,
W. J.
Lauderdale
,
S. R.
Gwaltney
,
S.
Beck
,
A.
Balková
,
D. E.
Bernholdt
,
K.-K.
Baeck
,
P.
Rozyczko
,
H.
Sekino
,
C.
Huber
,
J.
Pittner
, and
R. J.
Bartlett
, “
ACESII is a product of the quantum theory project, university of florida
,” Integral packages included are VMOL (J. Almölf and P. R. Taylor) VPROPS (P. R. Taylor) and ABACUS (T. Helgaker, H. J. Aa. Jensen, P. Jørgensen, J. Olsen, and P. R. Taylor).
80.
V.
Lotrich
,
N.
Flocke
,
M.
Ponton
,
A.
Yau
,
A.
Perera
,
E.
Deumens
, and
R.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
128
,
2722
(
2008
).
81.
B. A.
Sanders
,
N.
Jindal
,
J. N.
Byrd
,
V. F.
Lotrich
,
D.
Lyakh
,
N.
Flocke
,
A.
Perera
, and
R. J.
Bartlett
, Aces4 pre-alpha release, https://github.com/UFParLab.
82.
M. W.
Schmidt
,
K. K.
Baldridge
,
J. A.
Boatz
,
S. T.
Elbert
,
M. S.
Gordon
,
J. J.
Jensen
,
S.
Koseki
,
N.
Matsunaga
,
K. A.
Nguyen
,
S.
Su
,
T. L.
Windus
,
M.
Dupuis
, and
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. Comput. Chem.
14
,
1347
(
1993
).
83.
M. S.
Gordon
and
M. W.
Schmidt
, in
Theory and Applications of Computational Chemistry: The First Forty Years
, edited by
C. E.
Dykstra
,
G.
Frenking
,
K. S.
Kim
, and
G. E.
Scuseria
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
2005
), pp.
1167
1189
.
84.
F.
Neese
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
73
(
2011
).
85.
M.
Valiev
,
E. J.
Bylaska
,
N.
Govind
,
K.
Kowalski
,
T. P.
Straatsma
,
H. J. J.
Van Dam
,
D.
Wang
,
J.
Nieplocha
,
E.
Aprà
,
T. L.
Windus
, and
W. A.
de Jong
,
Comput. Phys. Commun.
181
,
1477
(
2010
).
86.
T.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
87.
D.
Woon
and
T.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
98
,
1358
(
1993
).
88.
T.
Dunning
, Jr.
,
K.
Peterson
, and
A.
Wilson
,
J. Chem. Phys.
114
,
9244
(
2001
).
89.
F.
Weigend
,
M.
Kattannek
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
130
,
164106
(
2009
).
90.
F.
Weigend
,
F.
Furche
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
119
,
12753
(
2003
).
91.
R. J.
Bartlett
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
32
,
359
(
1981
).
92.
A. G.
Taube
and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
130
,
144112
(
2009
).
93.
R. J.
Bartlett
,
M.
Musial
,
V. F.
Lotrich
, and
T.
Kus
, in
Recent Progress in Coupled-Cluster Methods
, edited by
P.
Carsky
,
J.
Paldus
, and
J.
Pittner
(
Springer
,
Dordrecht
,
2010
), Vol.
11
, Chap. 1, pp.
1
34
.
94.
J. N.
Byrd
,
V.
Rishi
,
A.
Perera
, and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
143
,
164103
(
2015
).
95.
G. D.
Purvis
III
and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
76
,
1910
(
1982
).
96.
M.
Urban
,
J.
Noga
,
S. J.
Cole
, and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
83
,
4041
(
1985
).
97.
K.
Raghavachari
,
G. W.
Trucks
,
J. A.
Pople
, and
M.
Head-Gordon
,
Chem. Phys. Lett.
157
,
479
(
1989
).
98.
J. D.
Watts
,
J.
Gauss
, and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
98
,
8718
(
1993
).
99.
A. G.
Taube
and
R. J.
Bartlett
,
Collect. Czech. Chem. Commun.
70
,
837
(
2005
).
100.
A. G.
Taube
and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
128
,
164101
(
2008
).
101.
J. N.
Byrd
,
N.
Jindal
,
R. W.
Molt
, Jr.
,
R. J.
Bartlett
,
B. A.
Sanders
, and
V. F.
Lotrich
,
Mol. Phys.
113
,
1
(
2015
).
102.
A. E.
DePrince
III
and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
293
(
2012
).
103.

Care must be made to not select a threshold that would incorrectly remove degenerate virtual orbitals.

104.
J. A.
Platts
,
J. G.
Hill
,
K. E.
Riley
,
J.
Řezáč
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
330
(
2013
).
105.
D.
Schwenke
,
J. Chem. Phys.
122
,
014107
(
2005
).
106.
T.
Helgaker
,
W.
Klopper
,
H.
Koch
, and
J.
Noga
,
J. Chem. Phys.
106
,
9639
(
1997
).
107.
A.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
108.
P.
Stephens
,
F.
Devlin
,
C.
Chabalowski
, and
M.
Frisch
,
J. Phys. Chem.
98
,
11623
(
1994
).
109.
P.
Verma
and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
140
,
18A534
(
2014
).
110.
Y.
Jin
and
R. J.
Bartlett
, “
The QTP family of consistent functionals and potentials in Kohn-Sham density functional theory
,”
J. Chem. Phys.
(to be published).
111.
J.-D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
128
,
084106
(
2004
).
112.
J.-D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
6615
(
2008
).
113.
Y.
Zhao
,
N. E.
Schultz
, and
D. G.
Truhlar
,
J. Chem. Theory Comput.
2
,
364
(
2006
).
114.
R.
Peverati
and
D. G.
Truhlar
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
2810
(
2011
).
115.
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
124
,
034108
(
2006
).
116.
T.
Schwabe
and
S.
Grimme
,
Acc. Chem. Res.
41
,
569
(
2008
).
117.
A.
Karton
,
A.
Tarnopolsky
,
J.-F.
Lameére
,
G.
Schatz
, and
J. M. L.
Martin
,
J. Phys. Chem. A
112
,
12868
(
2008
).
118.
S.
Kozuch
,
D.
Gruzman
, and
J. M. L.
Martin
,
J. Phys. Chem. C
114
,
20801
(
2010
).
119.
S.
Kozuch
and
J. M. L.
Martin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
20104
(
2011
).
120.
L.
Goerigk
and
S.
Grimme
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
291
(
2011
).
121.
S.
Grimme
,
J. Comput. Chem.
27
,
1787
(
2006
).
122.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
123.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4955196 for the MBPT(2)/cc-pVTZ optimized geometries for all silicon carbon clusters studied here.
124.
M.
Steglich
and
J. P.
Maier
,
Astrophys J.
801
,
119
(
2015
).
125.
R. W.
Molt
, Jr.
,
T.
Watson
, Jr.
,
A. P.
Bazanté
, and
R.
Bartlett
,
J. Phys. Chem. A
117
,
3467
(
2013
).
126.
J. N.
Byrd
,
R. J.
Bartlett
, and
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. Phys. Chem. A
118
,
1706
(
2014
).
127.
Y.
Jin
,
A.
Perera
,
V. F.
Lotrich
, and
R. J.
Bartlett
,
Chem. Phys. Lett.
629
,
76
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.