CRYSTAL

        CRYSTAL是第一个公开发布的研究晶体的程序，自1988年第一个版本以来，CRYSTAL发布了92、95、98、03、06、09、14、17、23九个版本。CRYSTAL程序使用Hartree-Fock、密度泛函或各种混合近似方法计算周期体系的电子态结构，所用的周期体系的Bloch函数用以原子为中心的高斯函数的线性组合展开。程序还使用了屏蔽技术以充分利用实空间的局域化特性。程序使用全电子基组或者价电子基组（有效核势）进行限制性闭壳层，限制性开壳层，或者非限制性计算。程序可以正确处理空间对称性（230个空间群，80个平面群，99个柱形群，45个点群）。点群对称性与平移对称性可以在分子体系上兼容。CRYSTAL的输入工具可以从三维晶体结构产生层状结构（二维体系）或者团簇（零维体系），创建缺陷体系的超晶胞，还可以从一个单层结构（二维体系）创建纳米管（一维体系）。

      CRYSTAL可以用来研究分子、多聚物、表面和晶体的物理性质和化学性质。例如：几何结构、振动性质、电子态结构、磁学性质、介电性质、弹性等。CRYSTAL23软件包中还包括了TOPOND23，这是一个用于拓扑分析电子密度及其拉普拉斯算符的重要工具，它扩展了对f和g类型原子轨道的使用，为研究含有镧系和锕系元素的复杂化合物中的f电子化学提供了可能性。新增功能包括：搜索和分类电荷密度和拉普拉斯算符的临界点（∇ ρ(r) = 0; ∇³ ρ(r) = 0）、在临界点计算局部量：键级、动能、势能和能量密度、维里尔值等以及搜索原子基底并积分原子属性：电荷、动能、维里尔密度、Becke局域化函数、香农熵等。

CRYSTAL23新特性

▶广义Hartree-Fock理论                       ▶非共线自旋密度泛函理论

▶自旋电流密度泛函理论                     ▶新的mGGA交换-相关泛函

▶修正的复合方法用于固态计算         ▶新的积分引擎用于更快地计算解析能量导数

▶电子密度的导数，高达四阶             ▶CPHF/KS扩展到基于HJS的分离范围混合泛函

▶双组分单点能量计算                         ▶扩展的模型初始赫斯矩阵到镧系和锕系元素的几何优化

▶非谐振振动频率                                 ▶中子加权VDOS用于非弹性中子散射

▶热弹性与准静态和准谐波方案         ▶QHA推广到1D和2D系统

▶LCAO方法扩展到g型原子轨道        ▶内部库为周期表大多数元素提供POB-TZVP一致的基组

▶内部基组优化器                                 ▶镧系和锕系元素的f电子价电子的新基组

▶基组的微扰理论丰富                         ▶内部库AREP和SOREP

▶轨道电流密度图                                 ▶从2D到1D 从单层板模型构建单壁和多壁纳米管

▶共线和非共线磁化密度图                 ▶扩展到f和g GTFs的全电子电荷密度-自旋密度

▶自旋电流密度图                                 ▶OpenMP+MPI混合并行用于SCF和力

CRYSTAL17新特性快速浏览

New features with respect to CRYSTAL14 are in italics and red

Hamiltonians

• Hartree-Fock Theory
  • Restricted (RHF)
  • Unrestricted (UHF)
  • Restricted-Open (ROHF)

• Density Functional Theory
  • Semilocal functionals: local [L], gradient-corrected [G] and meta-GGA (tau-dependent) [T]
  • Hybrid HF-DFT functionals
    • Global hybrids: B3PW, B3LYP (using the VWN5 functional), PBE0 and more
    • Range-separated hybrids:
      • Screened-Coulomb (SC): HSE06, HSEsol, SC-BLYP
      • Middle-range (MC): HISS
      • Long-range Corrected (LC): LC-wPBE, LC-wPBEsol, wB97, wB97-X, RSHXLDA, LC-BLYP, CAM-B3LYP
  • Minnesota semilocal and hybrid functionals:
    • M05 family: M05, M05-2X
    • M06 family: M06, M06-2X, M06-HF, M06-L
  • Double hybrid functionals: B2-PLYP, mPW2-PLYP, B2GP-PLYP
  • User-defined hybrid functionals
  • Self-consistent global hybrid functionals (sc-hyb)
  • Numerical-grid based numerical quadrature scheme
  • London-type empirical correction for dispersion interactions (DFT-D2 scheme)
  • DFT-D3 correction for dispersive interactions. Automated, parameter-free implementation

• Grimme’s geometrical CounterPoise (gCP) empirical correction to remove the BSSE

• Composite methods for molecular crystals: HF-3c, PBEh-3c, HSE-3c and B97-3c

耦合微扰HF/KS方法
计算静态极化率、介电张量、折射指数、双折射、光轴；周期体系还可以施加锯齿波有限场

直接法计算声子色散谱；Berry相位法计算红外强度
任意k点的声子频率采用直接计算超晶胞的Hessian矩阵的方法，并充分利用对称性找到超晶胞原子组位移，大大减少了计算量。可以更精确计算热力学性质。振动频率可以与中子散射实验谱比较。红外强度计算新增了Berry相位法，这种方法比局域Wannier函数方法更节省计算量。

过渡态搜索
优化鞍点几何结构，寻找分子、聚合物和晶体的过渡态结构。利用过渡态搜索功能可以研究周期体系中的原子结构关系，例如多相催化机理。

外加衡压下的对晶格常数和原子位置进行几何结构优化
同时实现了从对晶胞参数的解析梯度计算弹性张量、压力、焓的方法。

自动计算晶体的弹性张量
全自动采用数值方法从解析梯度计算具有任意对称性晶体的二阶弹性系数。对每个施加的应力，内部坐标都重新进行优化。程序充分利用点群对称性减少形变的数目。

自动计算能量(E)-体积(V)状态方程

自动计算一系列指定体积的能量得到能量-体积（E-V）曲线关系，结果可以拟合为常见的状态方程和多项式关系。

新增多种GGA泛函
PBEsol交换关联泛函、Wu-Cohen 交换泛函、Zhao-Truhlar的SOGGA交换泛函；Wilson-Levy关联泛函。

Grimme方法模拟色散力
方法使用London型半经验校正Grimme方法计算总能量和梯度，因此可以用于总能量计算、几何结构优化和振动频率计算

从单层结构自动产生纳米管
从二维或三维的层状结构生成具有螺旋对称性的纳米管（最高到48阶）。由于对称性的充分利用，使用HF/DFT混合泛函和高质量的基组计算几百个原子的体系消耗的计算量并不高。采用旋转-平移对称性处理高分子螺旋结构（最高到48阶）。

新方法处理d、f轨道半充满原子SCF过程的初始猜测
更好的控制初始猜测，使SCF过程收敛更容易。

新方法处理固溶体
通过产生一系列的二体替位模型，找到合理的构型并进行统计计算。改进处理电子动量密度分析和康普顿散射轮廓（Compton Profile）。

改进的大规模并行版本
MPPCrystal，内存分布式并行计算版本（计算效率测试如下图）。