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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 doi:10.1007/s002140050207。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） doi:10.1063/1.1788655,doi:10.1063/1.1940609,doi:10.1063/1.2047554,doi:10.1016/j.chemphys.2008.10.011,doi:10.1007/s11426-009-0279-5,doi:10.1080/00268976.2013.785611、精确二分量（X2C）相对论理论 doi:10.1063/1.2137315,doi:10.1063/1.3159445,doi:10.1063/1.2222365、准四分量（Q4C）相对论理论 doi:10.1063/1.2222365,doi:10.1063/1.2772856、自旋分离的X2C相对论理论（sf-X2C+so-DKHn） doi:10.1063/1.4758987,doi:10.1063/1.4891567、多体有效量子电动力学（eQED） doi:10.1063/1.4811795,doi:10.1016/j.physrep.2013.11.006、相对论核磁理论（4C/X2C-NMR） doi:10.1063/1.2565724,doi:10.1063/1.2736702,doi:10.1063/1.3110602,doi:10.1063/1.3283036,doi:10.1063/1.3216471,doi:10.1063/1.4764042,doi:10.1021/ct400950g,doi:10.1063/1.4813594、相对论核自旋-转动理论（4C-NSR） doi:10.1063/1.4813594,doi:10.1063/1.4797496,doi:10.1063/1.4898631、相对论能带理论（X2C-PBC） doi:10.1063/1.4940140、X2C解析梯度和Hessian doi:10.1021/acs.jctc.9b01120；激发态HF/KS方法（mom） doi:10.1021/ct500066t；基于“用分子片合成分子” （F2M）思想的轨道局域化方案（FLMO） doi:10.1021/ct500066t,doi:10.1021/ct200225v,doi:10.1021/ar500082t、亚线性标度含时密度泛函理论（FLMO-TDDFT） doi:10.1063/1.4977929、亚线性标度NMR方法（FLMO-NMR） doi:10.1063/1.5083193、迭代轨道相互作用 “自下而上”自洽场方法（iOI） doi:10.1021/acs.jctc.1c00445；自旋匹配开壳层含时密度泛函理论（SA-TDDFT） doi:10.1063/1.3463799,doi:10.1063/1.3573374,doi:10.1063/1.3660688,doi:10.1021/acs.jctc.5b01158,doi:10.1021/acs.jctc.5b01219、自旋反转含时密度泛函理论（SF-TDDFT） doi:10.1063/1.3676736、基态/激发态-激发态非绝热耦合含时密度泛函理论（NAC-TDDFT） doi:10.1063/1.4885817,doi:10.1063/1.4903986,doi:10.1021/acs.accounts.1c00312、含时密度泛函理论解析能量梯度 doi:10.1063/5.0025428、任意单值/双值点群对称化 doi:10.1002/qua.22078 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 doi:10.1007/s00214-014-1481-x、SDSCI doi:10.1007/s00214-014-1481-x、iCI doi:10.1021/acs.jctc.5b01099、iCIPT2 doi:10.1021/acs.jctc.9b01200,doi:10.1021/acs.jctc.0c01187、iCAS doi:10.1021/acs.jctc.1c00456、iCISCF doi:10.1021/acs.jctc.1c00781、SOC-iCI、iCI-SOC，以及直接求解大矩阵内部本征态的iVI方法 doi:10.1002/jcc.24907,doi:10.1002/jcc.25569 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），以及用于ΔSCF计算的mom方法
  • TDDFT激发态偶极矩
  • 自旋轨道耦合：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。

功能更新

2023A版本（2023.2）

  • 更新二阶解析Hessian：支持包括Hartree-Fock方法，LDA、GGA、全局杂化泛函和范围分离泛函，ECP基组的DFT计算。可应用于化学反应过渡态搜索模块，频率分析及计算热力学数据
  • 增加IEFPCM和COSMO溶剂模型：基态能量和梯度; TDDFT/TDA: PTD能量和梯度，线性响应能量（闭壳层）
  • 增加结构优化计算方法：Dimer方法优化过渡态结构
  • 增加反应路径验证分析：内禀反应坐标(IRC)计算
  • 增加结构优化中自动消除虚频的功能
  • 增加近似计算大体系激发态的方法：sTDA、sTDDFT
  • 增加X2C相对论电场梯度（EFG）方法
  • 基态结构优化以及含时密度泛函部分aMPEC+COSX算法问题修复
  • 完善计算报错提示，方便用户寻找解决办法

免费试用BDF

有意使用BDF软件的用户可在 https://iresearch.net.cn/web/personal-space/activity-page 注册鸿之微云账号，申请免费试用。此外，用户可直接发送试用申请邮件至sales@hzwtech.com，或者直接拨打021-50550302即可申请使用。