D4 - Edisp /kcal,au: NaN NaN

[martijn]

Hi,

For calculations on nanoparticles of TiC I have observed in certain cases what appears to be a problem with D4 and I'm not sure if this is a problem with my input, the implementation of D4 in Turbomole or D4 itself. Specifically, for the particles in question, at least for certain "reasonable" geometries the DFT-D4 Energy contribution and nuclear repulsion + dispersion correction both return NaN. For example:

           -------------------------------------------------
          |                Calculation Setup                     |
           -------------------------------------------------
   charge               :      0
   non-additivity corr. : ATM
   charge model         : EEQ
   damping parameters
   s6                   :     1.0000
   s8                   :     2.0293
   a1                   :     0.4087
   a2                   :     4.5381

        q(ref)        CN(ref)   cov. CN(ref)  alpha(AIM,ref)
     0.0000000      0.0000000      0.0000000     **********
     0.3225917      1.8299290      1.6227897     37.1327072
     0.5350595      3.8675444      3.4328125     32.3550068
        q(ref)        CN(ref)   cov. CN(ref)  alpha(AIM,ref)
     0.0000000      0.0000000      0.0000000     12.3555336
    -0.1712371      0.9867893      0.9189476     12.8040100
    -0.1421000      1.9984766      1.9078606      9.6347083
    -0.2225085      2.9987259      2.8312240      9.6866280
    -0.2565392      3.9843988      3.7487004      7.6947605
    -0.1044135      3.1417713      2.9183271      9.3751067
     0.2103031      0.9999501      0.8556099      7.7402501
========================================================================
 Edisp  /kcal,au:        NaN            NaN
========================================================================
 nuclear repulsion energy                  =  349145.092258260
  DFT-D4 Energy contribution               =               NaN
 nuclear repulsion + dispersion correction =               NaN

This seems to occur both for version 7.5 and 7.5.1 (we don't yet have access to 7.6) and as a result the DFT total energies are also NaN and SCF calculations on these particular particles will never converge. I have tried different point group symmetries, including C1, but in all cases the same thing happens.

This problem does not happen in the case of D3 and sometimes even happens when restarting from a geometry previously optimised using D3. I attach an example below for the geometry of Ti108C108 previously optimised using B3LYP+D3/def2-SVP and which looks fine visualy, but gives NaN when restarting with B3LYP+D4/def2-SVP.

It would be great if someone knows what might be the problem.

Thanks,

Martijn

$coord
    9.73712098157667      9.73712098157667     -9.73712098157667      ti
    9.90325188464045      6.03416447504547     -9.90325188464045      c
    5.94800077728955      5.94800077728955     -9.92087207484975      ti
    9.92087207484975      5.94800077728955     -5.94800077728955      ti
    5.94800077728955      9.92087207484975     -5.94800077728955      ti
    9.90325188464045      9.90325188464045     -6.03416447504547      c
    6.03416447504547      9.90325188464045     -9.90325188464045      c
    5.97996447657782      5.97996447657782     -5.97996447657782      c
    9.83922643983892      1.99744658630539     -9.83922643983892      ti
    9.89830884166651     -1.95400739347906     -9.89830884166651      c
    5.96319856407849     -1.98809833358298     -9.92698489070667      ti
    9.92698489070667     -1.98809833358298     -5.96319856407849      ti
    5.94889999985359      1.99313552650397     -5.94889999985359      ti
   10.12446198367273      1.98388490988329     -6.04373742264148      c
    6.04373742264148      1.98388490988329    -10.12446198367273      c
    6.00949902529930     -2.00917512762406     -6.00949902529930      c
    9.84314754003054     -5.91749395302955     -9.84314754003054      ti
    9.70727933947391     -9.70727933947391     -9.70727933947391      c
    5.91749395302955     -9.84314754003054     -9.84314754003054      ti
    9.84314754003054     -9.84314754003054     -5.91749395302955      ti
    5.93083994261668     -5.93083994261668     -5.93083994261668      ti
   10.09894362824467     -5.99445296233209     -5.99445296233209      c
    5.99445296233209     -5.99445296233209    -10.09894362824467      c
    5.99445296233209    -10.09894362824467     -5.99445296233209      c
    1.99744658630539      9.83922643983892     -9.83922643983892      ti
    1.98388490988329      6.04373742264148    -10.12446198367273      c
   -1.98809833358298      5.96319856407849     -9.92698489070667      ti
    1.99313552650397      5.94889999985359     -5.94889999985359      ti
   -1.98809833358298      9.92698489070667     -5.96319856407849      ti
    1.98388490988329     10.12446198367273     -6.04373742264148      c
   -1.95400739347906      9.89830884166651     -9.89830884166651      c
   -2.00917512762406      6.00949902529930     -6.00949902529930      c
    1.98726973672475      1.98726973672475     -9.94787422427563      ti
    1.97530458274131     -1.97530458274131    -10.16754390547762      c
   -1.98726973672475     -1.98726973672475     -9.94787422427563      ti
    1.98198934562531     -1.98198934562531     -5.96364020410723      ti
   -1.98198934562531      1.98198934562531     -5.96364020410723      ti
    2.01066710984676      2.01066710984676     -6.05241685892999      c
   -1.97530458274131      1.97530458274131    -10.16754390547762      c
   -2.01066710984676     -2.01066710984676     -6.05241685892999      c
    1.98809833358298     -5.96319856407849     -9.92698489070667      ti
    1.95400739347906     -9.89830884166651     -9.89830884166651      c
   -1.99744658630539     -9.83922643983892     -9.83922643983892      ti
    1.98809833358298     -9.92698489070667     -5.96319856407849      ti
   -1.99313552650397     -5.94889999985359     -5.94889999985359      ti
    2.00917512762406     -6.00949902529930     -6.00949902529930      c
   -1.98388490988329     -6.04373742264148    -10.12446198367273      c
   -1.98388490988329    -10.12446198367273     -6.04373742264148      c
   -5.91749395302955      9.84314754003054     -9.84314754003054      ti
   -5.99445296233209      5.99445296233209    -10.09894362824467      c
   -9.84314754003054      5.91749395302955     -9.84314754003054      ti
   -5.93083994261668      5.93083994261668     -5.93083994261668      ti
   -9.84314754003054      9.84314754003054     -5.91749395302955      ti
   -5.99445296233209     10.09894362824467     -5.99445296233209      c
   -9.70727933947391      9.70727933947391     -9.70727933947391      c
  -10.09894362824467      5.99445296233209     -5.99445296233209      c
   -5.96319856407849      1.98809833358298     -9.92698489070667      ti
   -6.04373742264148     -1.98388490988329    -10.12446198367273      c
   -9.83922643983892     -1.99744658630539     -9.83922643983892      ti
   -5.94889999985359     -1.99313552650397     -5.94889999985359      ti
   -9.92698489070667      1.98809833358298     -5.96319856407849      ti
   -6.00949902529930      2.00917512762406     -6.00949902529930      c
   -9.89830884166651      1.95400739347906     -9.89830884166651      c
  -10.12446198367273     -1.98388490988329     -6.04373742264148      c
   -5.94800077728955     -5.94800077728955     -9.92087207484975      ti
   -6.03416447504547     -9.90325188464045     -9.90325188464045      c
   -9.73712098157667     -9.73712098157667     -9.73712098157667      ti
   -5.94800077728955     -9.92087207484975     -5.94800077728955      ti
   -9.92087207484975     -5.94800077728955     -5.94800077728955      ti
   -5.97996447657782     -5.97996447657782     -5.97996447657782      c
   -9.90325188464045     -6.03416447504547     -9.90325188464045      c
   -9.90325188464045     -9.90325188464045     -6.03416447504547      c
    9.83922643983892      9.83922643983892     -1.99744658630539      ti
   10.12446198367273      6.04373742264148     -1.98388490988329      c
    5.94889999985359      5.94889999985359     -1.99313552650397      ti
    9.92698489070667      5.96319856407849      1.98809833358298      ti
    5.96319856407849      9.92698489070667      1.98809833358298      ti
    9.89830884166651      9.89830884166651      1.95400739347906      c
    6.04373742264148     10.12446198367273     -1.98388490988329      c
    6.00949902529930      6.00949902529930      2.00917512762406      c
    9.94787422427563      1.98726973672475     -1.98726973672475      ti
   10.16754390547762     -1.97530458274131     -1.97530458274131      c
    5.96364020410723     -1.98198934562531     -1.98198934562531      ti
    9.94787422427563     -1.98726973672475      1.98726973672475      ti
    5.96364020410723      1.98198934562531      1.98198934562531      ti
   10.16754390547762      1.97530458274131      1.97530458274131      c
    6.05241685892999      2.01066710984676     -2.01066710984676      c
    6.05241685892999     -2.01066710984676      2.01066710984676      c
    9.92698489070667     -5.96319856407849     -1.98809833358298      ti
    9.89830884166651     -9.89830884166651     -1.95400739347906      c
    5.96319856407849     -9.92698489070667     -1.98809833358298      ti
    9.83922643983892     -9.83922643983892      1.99744658630539      ti
    5.94889999985359     -5.94889999985359      1.99313552650397      ti
   10.12446198367273     -6.04373742264148      1.98388490988329      c
    6.00949902529930     -6.00949902529930     -2.00917512762406      c
    6.04373742264148    -10.12446198367273      1.98388490988329      c
    1.98726973672475      9.94787422427563     -1.98726973672475      ti
    2.01066710984676      6.05241685892999     -2.01066710984676      c
   -1.98198934562531      5.96364020410723     -1.98198934562531      ti
    1.98198934562531      5.96364020410723      1.98198934562531      ti
   -1.98726973672475      9.94787422427563      1.98726973672475      ti
    1.97530458274131     10.16754390547762      1.97530458274131      c
   -1.97530458274131     10.16754390547762     -1.97530458274131      c
   -2.01066710984676      6.05241685892999      2.01066710984676      c
    1.97734941906956      1.97734941906956     -1.97734941906956      ti
    2.01582191326355     -2.01582191326355     -2.01582191326355      c
   -1.97734941906956     -1.97734941906956     -1.97734941906956      ti
    1.97734941906956     -1.97734941906956      1.97734941906956      ti
   -1.97734941906956      1.97734941906956      1.97734941906956      ti
    2.01582191326355      2.01582191326355      2.01582191326355      c
   -2.01582191326355      2.01582191326355     -2.01582191326355      c
   -2.01582191326355     -2.01582191326355      2.01582191326355      c
    1.98198934562531     -5.96364020410723     -1.98198934562531      ti
    1.97530458274131    -10.16754390547762     -1.97530458274131      c
   -1.98726973672475     -9.94787422427563     -1.98726973672475      ti
    1.98726973672475     -9.94787422427563      1.98726973672475      ti
   -1.98198934562531     -5.96364020410723      1.98198934562531      ti
    2.01066710984676     -6.05241685892999      2.01066710984676      c
   -2.01066710984676     -6.05241685892999     -2.01066710984676      c
   -1.97530458274131    -10.16754390547762      1.97530458274131      c
   -5.96319856407849      9.92698489070667     -1.98809833358298      ti
   -6.00949902529930      6.00949902529930     -2.00917512762406      c
   -9.92698489070667      5.96319856407849     -1.98809833358298      ti
   -5.94889999985359      5.94889999985359      1.99313552650397      ti
   -9.83922643983892      9.83922643983892      1.99744658630539      ti
   -6.04373742264148     10.12446198367273      1.98388490988329      c
   -9.89830884166651      9.89830884166651     -1.95400739347906      c
  -10.12446198367273      6.04373742264148      1.98388490988329      c
   -5.96364020410723      1.98198934562531     -1.98198934562531      ti
   -6.05241685892999     -2.01066710984676     -2.01066710984676      c
   -9.94787422427563     -1.98726973672475     -1.98726973672475      ti
   -5.96364020410723     -1.98198934562531      1.98198934562531      ti
   -9.94787422427563      1.98726973672475      1.98726973672475      ti
   -6.05241685892999      2.01066710984676      2.01066710984676      c
  -10.16754390547762      1.97530458274131     -1.97530458274131      c
  -10.16754390547762     -1.97530458274131      1.97530458274131      c
   -5.94889999985359     -5.94889999985359     -1.99313552650397      ti
   -6.04373742264148    -10.12446198367273     -1.98388490988329      c
   -9.83922643983892     -9.83922643983892     -1.99744658630539      ti
   -5.96319856407849     -9.92698489070667      1.98809833358298      ti
   -9.92698489070667     -5.96319856407849      1.98809833358298      ti
   -6.00949902529930     -6.00949902529930      2.00917512762406      c
  -10.12446198367273     -6.04373742264148     -1.98388490988329      c
   -9.89830884166651     -9.89830884166651      1.95400739347906      c
    9.84314754003054      9.84314754003054      5.91749395302955      ti
   10.09894362824467      5.99445296233209      5.99445296233209      c
    5.93083994261668      5.93083994261668      5.93083994261668      ti
    9.84314754003054      5.91749395302955      9.84314754003054      ti
    5.91749395302955      9.84314754003054      9.84314754003054      ti
    9.70727933947391      9.70727933947391      9.70727933947391      c
    5.99445296233209     10.09894362824467      5.99445296233209      c
    5.99445296233209      5.99445296233209     10.09894362824467      c
    9.92698489070667      1.98809833358298      5.96319856407849      ti
   10.12446198367273     -1.98388490988329      6.04373742264148      c
    5.94889999985359     -1.99313552650397      5.94889999985359      ti
    9.83922643983892     -1.99744658630539      9.83922643983892      ti
    5.96319856407849      1.98809833358298      9.92698489070667      ti
    9.89830884166651      1.95400739347906      9.89830884166651      c
    6.00949902529930      2.00917512762406      6.00949902529930      c
    6.04373742264148     -1.98388490988329     10.12446198367273      c
    9.92087207484975     -5.94800077728955      5.94800077728955      ti
    9.90325188464045     -9.90325188464045      6.03416447504547      c
    5.94800077728955     -9.92087207484975      5.94800077728955      ti
    9.73712098157667     -9.73712098157667      9.73712098157667      ti
    5.94800077728955     -5.94800077728955      9.92087207484975      ti
    9.90325188464045     -6.03416447504547      9.90325188464045      c
    5.97996447657782     -5.97996447657782      5.97996447657782      c
    6.03416447504547     -9.90325188464045      9.90325188464045      c
    1.98809833358298      9.92698489070667      5.96319856407849      ti
    2.00917512762406      6.00949902529930      6.00949902529930      c
   -1.99313552650397      5.94889999985359      5.94889999985359      ti
    1.98809833358298      5.96319856407849      9.92698489070667      ti
   -1.99744658630539      9.83922643983892      9.83922643983892      ti
    1.95400739347906      9.89830884166651      9.89830884166651      c
   -1.98388490988329     10.12446198367273      6.04373742264148      c
   -1.98388490988329      6.04373742264148     10.12446198367273      c
    1.98198934562531      1.98198934562531      5.96364020410723      ti
    2.01066710984676     -2.01066710984676      6.05241685892999      c
   -1.98198934562531     -1.98198934562531      5.96364020410723      ti
    1.98726973672475     -1.98726973672475      9.94787422427563      ti
   -1.98726973672475      1.98726973672475      9.94787422427563      ti
    1.97530458274131      1.97530458274131     10.16754390547762      c
   -2.01066710984676      2.01066710984676      6.05241685892999      c
   -1.97530458274131     -1.97530458274131     10.16754390547762      c
    1.99313552650397     -5.94889999985359      5.94889999985359      ti
    1.98388490988329    -10.12446198367273      6.04373742264148      c
   -1.98809833358298     -9.92698489070667      5.96319856407849      ti
    1.99744658630539     -9.83922643983892      9.83922643983892      ti
   -1.98809833358298     -5.96319856407849      9.92698489070667      ti
    1.98388490988329     -6.04373742264148     10.12446198367273      c
   -2.00917512762406     -6.00949902529930      6.00949902529930      c
   -1.95400739347906     -9.89830884166651      9.89830884166651      c
   -5.94800077728955      9.92087207484975      5.94800077728955      ti
   -5.97996447657782      5.97996447657782      5.97996447657782      c
   -9.92087207484975      5.94800077728955      5.94800077728955      ti
   -5.94800077728955      5.94800077728955      9.92087207484975      ti
   -9.73712098157667      9.73712098157667      9.73712098157667      ti
   -6.03416447504547      9.90325188464045      9.90325188464045      c
   -9.90325188464045      9.90325188464045      6.03416447504547      c
   -9.90325188464045      6.03416447504547      9.90325188464045      c
   -5.94889999985359      1.99313552650397      5.94889999985359      ti
   -6.00949902529930     -2.00917512762406      6.00949902529930      c
   -9.92698489070667     -1.98809833358298      5.96319856407849      ti
   -5.96319856407849     -1.98809833358298      9.92698489070667      ti
   -9.83922643983892      1.99744658630539      9.83922643983892      ti
   -6.04373742264148      1.98388490988329     10.12446198367273      c
  -10.12446198367273      1.98388490988329      6.04373742264148      c
   -9.89830884166651     -1.95400739347906      9.89830884166651      c
   -5.93083994261668     -5.93083994261668      5.93083994261668      ti
   -5.99445296233209    -10.09894362824467      5.99445296233209      c
   -9.84314754003054     -9.84314754003054      5.91749395302955      ti
   -5.91749395302955     -9.84314754003054      9.84314754003054      ti
   -9.84314754003054     -5.91749395302955      9.84314754003054      ti
   -5.99445296233209     -5.99445296233209     10.09894362824467      c
  -10.09894362824467     -5.99445296233209      5.99445296233209      c
   -9.70727933947391     -9.70727933947391      9.70727933947391      c

[uwe]

Hello,

I tried with 7.5, 7.5.1 and 7.6 and got the same result:

      -----------------------------------------------------------
     |                   =====================                   |
     |                        D F T - D 4                        |
     |                   =====================                   |
     |                         S. Grimme                         |
     |          Mulliken Center for Theoretical Chemistry        |
     |                    University of Bonn                     |
      -----------------------------------------------------------

           -------------------------------------------------
          |                Calculation Setup                |
           -------------------------------------------------
   charge               :      0
   non-additivity corr. : ATM
   charge model         : EEQ
   damping parameters
   s6                   :     1.0000
   s8                   :     2.0293
   a1                   :     0.4087
   a2                   :     4.5381

        q(ref)        CN(ref)   cov. CN(ref)  alpha(AIM,ref)
     0.0000000      0.0000000      0.0000000     **********
     0.3225917      1.8299290      1.6227897     37.1327072
     0.5350595      3.8675444      3.4328125     32.3550068
        q(ref)        CN(ref)   cov. CN(ref)  alpha(AIM,ref)
     0.0000000      0.0000000      0.0000000     12.3555336
    -0.1712371      0.9867893      0.9189476     12.8040100
    -0.1421000      1.9984766      1.9078606      9.6347083
    -0.2225085      2.9987259      2.8312240      9.6866280
    -0.2565392      3.9843988      3.7487004      7.6947605
    -0.1044135      3.1417713      2.9183271      9.3751067
     0.2103031      0.9999501      0.8556099      7.7402501
========================================================================
 Edisp  /kcal,au: -2287.7198  -3.6457135234
========================================================================
 nuclear repulsion energy                  =  349145.092258260
 empirical dispersive energy correction    =      -3.645713523
 nuclear repulsion + dispersion correction =  349141.446544736

So I could not reproduce your NaN. Tried it on different machines with different CPU types (if it is e.g. a problem with the math library), serial and SMP parallel version.

Is that a reproducible problem (I guess so)?

[martijn]

Thanks Uwe. That's really odd.

Yes, the NaN issue is extremely reproducible on my side. I have not only reproduced the issue with two versions (7.5 & 7.5.1), three different point groups (Td, D2 and C1) and on three different computers (our cluster and two different workstation, all running Linux). I at some point wondered if it was something to do with a file or setting left over from a previous D3 run so created fresh files using define (for version 7.5) and the coord in my message below but that doesn't change anything.

[uwe]

Hi,

could you please send the full input, especially the control file?

I just wonder if you did add options to $disp4 ?
Well, from your input it really looks absolutely identical to what I got, except the NaN.
Did you add some xTB options (as DFT-D4 is based on xTB partial charges)??

A puzzle that wants to be solved...

[rusakov]

Hello, Uwe,

I've just faced the same problem. Here is my control file. The rest is in the attachment.

$title
AtAu4
$symmetry c1
$user-defined bonds    file=coord
$coord    file=coord
$redund_inp
  metric 1
$optimize
 internal   on
 redundant  on
 cartesian  off
 global     off
 basis      off
$atoms
q  1
    basis =none
    jbas  =none
au 2-5
    basis =au dft_g
    ecp   =au gatchina
    jbas  =au dft_g
at 6
    basis =at dft_g
    ecp   =at gatchina
    jbas  =at dft_g
$basis    file=basis
$ecp    file=basis
$newecp
$uhfmo_alpha   file=alpha
$uhfmo_beta   file=beta
$uhf
$scfiterlimit       500
$thize     0.10000000E-04
$thime        5
$scfdamp   start=2.000  step=0.050  min=0.50
$scfdump
$scfintunit
 unit=30       size=0        file=twoint
$scfdiis
$maxcor    500 MiB  per_core
$drvopt
   cartesian  on
   basis      off
   global     off
   hessian    on
   dipole     on
   nuclear polarizability
$interconversion  off
   qconv=1.d-7
   maxiter=25
$coordinateupdate
   dqmax=0.3
   interpolate  on
   statistics    5
$forceupdate
   ahlrichs numgeo=0  mingeo=3 maxgeo=4 modus=<g|dq> dynamic fail=0.3
   threig=0.005  reseig=0.005  thrbig=3.0  scale=1.00  damping=0.0
$forceinit on
   diag=default
$energy    file=energy
$grad    file=gradient
$forceapprox    file=forceapprox
$gdiis
$soghf
$soghf
$scftol 1d-16
$omp_cpus 40
$coulex
$rij
$jbas file=auxbasis
$statpt
$dft
   functional pbe0
   gridsize   7
$scfconv   7
$disp4
$fermi tmstrt=400.00 tmend=50.00 tmfac=0.900 hlcrt=1.0E-01 stop=1.0E-03
$gdiis
$scforbitalshift  closedshell=.05
$rundimensions
   natoms=6
   nbf(CAO)=495
   nbf(AO)=399
$redundant    file=coord
$intdef    file=coord
$alpha shells
 a       1-51                                   ( 1 )
$beta shells
 a       1-50                                   ( 1 )
$actual step      relax
$spinor shells
 a       1-101                                  ( 1 )
$orbital_max_rnorm  0.0000000000000
$last SCF energy change = -808.23441
$subenergy  Etot         E1                  Ej                Ex                 Ec                 En                 Disp
-808.2344132397    -2844.748051236     1390.630536822    -66.28585299480    -4.417380296856     716.6005302506    -.1419578455483E-01
$charge from ridft
          0.000 (not to be modified here)
$dipole from ridft
  x    -0.00498505410922    y     0.00025876325979    z    -0.16748520203162    a.u.
   | dipole | =    0.4258971729  debye
$spinor_real       file=spinor.r
$spinor_imag       file=spinor.i
$maximum norm of cartesian gradient =            NaN
$maximum norm of internal gradient =  0.0000000
$end

[uwe]

Seems that DFT-D4 is not able to treat dummy atoms. I downloaded the original D4 code from https://github.com/dftd4/dftd4 and it refuses to treat a q, while the Turbomole implementation ignores the dummy atom in the energy but not in the gradient.
This can, however, be fixed for future versions.

You could try to use a hydrogen without basis functions and charge as a replacement for the element q to check if DFT-D4 accepts it. I think the additional dispersion energy and gradient from this single hydrogen can be neglected.

[rusakov]

Uwe, thank you so much for your response. I will give it a try today.

[rusakov]

Hello, Uwe,

I tried using an H atom with zero charge and no basis, but the result was exactly the same.

Alex

[uwe]

Hi Alex,

sorry, you are right. DFT-D4 uses the nuclear charge and not the element symbol to determine the C6/C8 parameters.
I have another idea I can share offline. If you are interested, please send a personal message.

Best, Uwe

[rusakov]

Uwe, thank you very much! I am very much interested in knowing how to deal with the issue, so I sent you a private message.