Kohn-Sham density functional theory (KS-DFT) is widely used among the not only physical chemists, but also the organic and inorganic chemists. Its accuracy and efficiency depends on the various numerical techniques, including the choice of the basis set, pseudopotential or the projector augmented wave method, and other techniques removing the numerical artifact often arises from the incomplete basis set. Apart from those numerical techniques, the choice of exchange-correlation functional is crucial factor deciding both the accuracy and efficiency. Conventionally used exchange-correlation functionals often shows incorrect asymptotic behavior and discrepancy from the theory. Sometimes they include an integral having no analytic form, thus computationally cumbersome. In this dissertation, development of ACE-Molecule, a real-space quantum chemistry package and their numerical techniques and properties of real-space basis will be presented. Next, an efficient and accurate calculation of excited states using simple range-separated localized exact-exchange hybrid will be presented. Another choice to achieve the high accuracy and efficiency of quantum chemistry calculation is to combine two theories together. In the last part of this dissertation, partitioning of orbital space and embedding two different theories in the orbital space will be presented for efficient calculations. The present embedding scheme aims to construct the embedding region using theoretically well-defined partitioning, and to not require numerical optimization of the embedding potential. This scheme shows stable convergence and accurately describe spin state of metal complex, and efficiently reduces the computational time compared to the global hybrid scheme.
콘-샴 밀도범함수 이론은 화학 및 재료과학 전반에 널리 사용되고 있다. 밀도범함수 이론 계산의 정확도와 효율성은 기저함수 책정, 유사포텐셜 또는 사영 증강 파동 방법을 포함한 다양한 수치적 방법에 영향받는다. 그러한 수치적 방법을 제외하고 나면, 밀도범함수 이론의 정확도와 효율성을 결정하는 중요한 요인은 교환-상관 범함수이다. 기존 널리 사용되던 교환-상관 범함수는 잘못된 극값을 보이거나 정확한 이론이 주는 조건을 벗어나는 경우가 많다. 효율성의 측면에서, 이들은 계산적으로 비효율적인 수치 적분을 포함하기도 한다. 본 학위논문에서는 실공간 격자 기반 양자화학 패키지인 ACE-Molecule과 그에 사용된 수치적 방법, 그리고 실공간 격자 방법의 특성에 대해 논할 것이다. 그 다음엔, 계산적으로 간단한 거리-분리된 국소 혼성 범함수를 이용한 효율적이고 정확한 여기 상태 계산에 대하여 논하고자 한다. 양자화학 계산에 있어 정확 도와 효율성을 모두 얻는 다른 방법 중 하나로는 두 이론을 합쳐 사용하는 것이다. 본 학위논문의 마지막 부분에서는 서로 다른 두 이론을 결합하는 양자 임베딩 방법과 그를 위한 오비탈 공간의 분할에 대하여 논할 것이다. 이 임베딩 방법은 이론적으로 잘 정의된 분할 방법을 사용하며, 임베딩 포텐셜의 수치적인 최적화가 필요 없다. 몇몇 금속 착물에 대해 이 이론을 검증하였으며 정확하고 효율적인 계산 결과를 보여주었다.
