QUANTUM ESPRESSO is an integrated suite of computer codes for electronic-structure calculations and materials modeling, based on density-functional theory, plane waves, and pseudopotentials (norm-conserving, ultrasoft, and projector-augmented wave). The acronym ESPRESSO stands for opEn Source Package for Research in Electronic Structure, Simulation, and Optimization. It is freely available to researchers around the world under the terms of the GNU General Public License. QUANTUM ESPRESSO builds upon newly-restructured electronic-structure codes that have been developed and tested by some of the original authors of novel electronic-structure algorithms and applied in the last twenty years by some of the leading materials modeling groups worldwide. Innovation and efficiency are still its main focus, with special attention paid to massively parallel architectures, and a great effort being devoted to user friendliness. QUANTUM ESPRESSO is evolving towards a distribution of independent and interoperable codes in the spirit of an open-source project, where researchers active in the field of electronic-structure calculations are encouraged to participate in the project by contributing their own codes or by implementing their own ideas into existing codes.

Quantum ESPRESSO is an integrated suite of open-source computer codes for quantum simulations of materials using state-of-the art electronic-structure techniques, based on density-functional theory, density-functional perturbation theory, and many-body perturbation theory, within the plane-wave pseudo-potential and projector-augmented-wave approaches. Quantum ESPRESSO owes its popularity to the wide variety of properties and processes it allows to simulate, to its performance on an increasingly broad array of hardware architectures, and to a community of researchers that rely on its capabilities as a core open-source development platform to implement theirs ideas. In this paper we describe recent extensions and improvements, covering new methodologies and property calculators, improved parallelization, code modularization, and extended interoperability both within the distribution and with external software.

In this work we reexamine the $\mathrm{LDA}+\mathrm{U}$ method of Anisimov and co-workers in the framework of a plane-wave pseudopotential approach. A simplified rotational-invariant formulation is adopted. The calculation of the Hubbard $U$ entering the expression of the functional is discussed and a linear response approach is proposed that is internally consistent with the chosen definition for the occupation matrix of the relevant localized orbitals. In this way we obtain a scheme whose functionality should not depend strongly on the particular implementation of the model in ab initio calculations. We demonstrate the accuracy of the method, computing structural and electronic properties of a few systems including transition and rare-earth correlated metals, transition metal monoxides, and iron silicate.

First-principles calculations within the Local Density Approximation (LDA) or Generalized Gradient Approximation (GGA), though very successful, are known to underestimate redox potentials, such as those at which lithium intercalates in transition metal compounds. We argue that this inaccuracy is related to the lack of cancellation of electron self-interaction errors in LDA/GGA and can be improved by using the DFT+$U$ method with a self-consistent evaluation of the $U$ parameter. We show that, using this approach, the experimental lithium intercalation voltages of a number of transition metal compounds, including the olivine Li$_{x}$MPO$_{4}$ (M=Mn, Fe Co, Ni), layered Li$_{x}$MO$_{2}$ ($x=$Co, Ni) and spinel-like Li$_{x}$M$_{2}$O$_{4}$ (M=Mn, Co), can be reproduced accurately.

Thin zeolite films prepared through a polymer exfoliation method were used as selective membranes.

The aim of this review article is to assess the descriptive capabilities of the Hubbard-rooted LDA+U method and to clarify the conditions under which it can be expected to be most predictive. The article illustrates the theoretical foundation of LDA+U and prototypical applications to the study of correlated materials, discusses the most relevant approximations used in its formulation, and makes a comparison with other approaches also developed for similar purposes. Open “issues” of the method are also discussed, including the calculation of the electronic couplings (the Hubbard U), the precise expression of the corrective functional and the possibility to use LDA+U for other classes of materials. The second part of the article presents recent extensions to the method and illustrates the significant improvements they have obtained in the description of several classes of different systems. The conclusive section finally discusses possible future developments of LDA+U to further enlarge its predictive power and its range of applicability. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

Transition-metal centers are the active sites for a broad variety of biological and inorganic chemical reactions. Notwithstanding this central importance, density-functional theory calculations based on generalized-gradient approximations often fail to describe energetics, multiplet structures, reaction barriers, and geometries around the active sites. We suggest here an alternative approach, derived from the Hubbard $U$ correction to solid-state problems, that provides an excellent agreement with correlated-electron quantum chemistry calculations in test cases that range from the ground state of ${\mathrm{Fe}}_{2}$ and ${\mathrm{Fe}}_{2}^{\ensuremath{-}}$ to the addition elimination of molecular hydrogen on ${\mathrm{FeO}}^{+}$. The Hubbard $U$ is determined with a novel self-consistent procedure based on a linear-response approach.

The Li intercalation potential of LiMPO4 and LiMSiO4 compounds with M = Fe, Mn, Co and Ni is computed with the GGA + U method. It is found that this approach is considerably more accurate than standard LDA or GGA methods. The calculated potentials for LiFePO4, LiMnPO4 and LiCoPO4 agree to within 0.1 V with experimental results. The LiNiPO4 potential is predicted to be above 5 V. The potentials of the silicate materials are all found to be rather high, but LiFeSiO4 and LiCoSiO4 have negligible volume change upon Li extraction.

The electronic structure, lattice dynamics, and Raman spectra of the kesterite, stannite, and pre-mixed Cu-Au (PMCA) structures of Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) were calculated using density functional theory (DFT). Differences in longitudinal and transverse optical (LO-TO) splitting in kesterite, stannite, and PMCA structures can be used to differentiate them. The Γ-point phonon frequencies, which give rise to Raman scattering, exhibit small but measurable shifts, for these three structures. Experimentally measured Raman scattering from CZTS and CZTSe thin films were examined in light of DFT calculations and deconvoluted to explain subtle shifts and asymmetric line shapes often observed in CZTS and CZTSe Raman spectra. Raman spectroscopy in conjunction with ab initio calculations can be used to differentiate between kesterite, stannite, and PMCA structures of CZTS and CZTSe.

We present a transparent and computationally efficient approach for the first-principles calculation of Hubbard parameters from linear-response theory. This approach is based on density-functional perturbation theory and the use of monochromatic perturbations. In addition to delivering much improved efficiency, the present approach makes it straightforward to calculate automatically these Hubbard parameters for any given system, with tight numerical control on convergence and precision. The effectiveness of the method is showcased in three case studies - Cu$_2$O, NiO, and LiCoO$_2$ - and by the direct comparison with finite differences in supercell calculations.