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示例 10：DOS、PDOS 与能带（H2O、金红石 TiO2、石墨烯、Si）

配套教程：第10章 电子结构分析：DOS、PDOS 与能带

目的

用四个小体系演示 CP2K 中态密度（DOS）、投影态密度（PDOS）和能带结构的完整流程，并对比 2026.2 的新 &DFT/&PRINT/&DOS 语法与 2026.1 及以前的旧 &DFT/&PRINT/&PDOS 语法：

输入 体系 SCF 方式 演示内容 适用版本
h2o_pdos_2026.inp 孤立 H2O（12 Å 盒子，MT 求解器） OT &DOS + NLUMO（SCF 后用 OT 本征求解器补算空轨道）、&PDOS COMPONENTS、&CURVE 展宽、ENERGY_ZERO HOCO ≥ 2026.2
tio2_pdos_legacy_2025.inp 金红石 TiO2 2×2×3 超胞（72 原子，Γ 点） 对角化 + ADDED_MOS 旧语法 &PDOS NLUMO、&LDOS LIST；文件末尾附 2026.2 等价写法 ≤ 2026.1
graphene_dos_kpoints.inp 石墨烯原胞，真空 20 Å 对角化 + Fermi–Dirac k 点 DOS、MP_GRID 加密总 DOS、k 点 PDOS（仅曲线输出）、ENERGY_ZERO FERMI ≥ 2026.2
si_band_structure.inp 体相 Si 原胞 对角化 + k 点 &BAND_STRUCTURE + &KPOINT_SET（L–Γ–X–U | K–Γ），同时输出以 VBM 为零点的 DOS 能带部分各版本通用；&DOS 部分 ≥ 2026.2

文件说明

文件 说明
h2o_pdos_2026.inp H2O 分子 PDOS（新语法）
tio2_pdos_legacy_2025.inp 金红石 PDOS（旧语法），注释中给出新语法替换块
graphene_dos_kpoints.inp 石墨烯 k 点 DOS/PDOS
si_band_structure.inp Si 能带与 DOS
job_slurm.sh Slurm 作业脚本，参数为输入文件名；运行前会删除旧的 .bs 文件（CP2K 以追加方式写能带文件）

所有输入使用 BASIS_MOLOPT_UZH + POTENTIAL_UZH（PBE），基组与赝势的 -qN 成对匹配。

运行步骤

cd CP2K/examples/10-dos-pdos-band
export CP2K_DATA_DIR=/path/to/cp2k/data   # 若已内置数据路径可省略
cp2k.psmp --version | head -n 3           # 确认版本：2026.2 才能跑新语法输入

# 先做语法检查（版本不对时会直接报 unknown subsection / unknown keyword）
cp2k.psmp -c h2o_pdos_2026.inp

# 本地运行（4 个 MPI 进程）
mpirun -np 4 cp2k.psmp -i h2o_pdos_2026.inp       -o h2o_pdos_2026.out
mpirun -np 4 cp2k.psmp -i graphene_dos_kpoints.inp -o graphene_dos_kpoints.out
rm -f si_band.bs && mpirun -np 4 cp2k.psmp -i si_band_structure.inp -o si_band_structure.out

# 旧版本（<= 2026.1）上运行旧语法示例
mpirun -np 16 cp2k.psmp -i tio2_pdos_legacy_2025.inp -o tio2_pdos_legacy_2025.out

# 集群
sbatch job_slurm.sh si_band_structure.inp

作图使用本仓库脚本（用法见各自的 -h）：

python ../../scripts/pdos_plot.py -h    # 读旧版 .pdos 与 2026.2 曲线文件，按元素/角动量求和作图
python ../../scripts/band_plot.py -h    # 读 .bs 文件，按 KPOINT_SET 生成横轴和高对称点标签

预期结果 / 如何检查

通用检查：

grep "SCF run converged" *.out
grep "PROGRAM ENDED AT"  *.out
ls -1 *.dos *.pdos *.bs
  • H2O（2026.2）：生成 h2o_pdos-1.dos（离散能级表）、h2o_pdos-curve-1.dos（展宽总 DOS）、h2o_pdos-k1-1.pdos / h2o_pdos-k2-1.pdos（逐态投影；kN 的编号与输出中 ATOMIC KIND INFORMATION 的顺序一致，用文件第一行 # Projected DOS for atomic kind O ... 确认是哪种元素）以及对应的 *_curve-1.pdos（展宽 PDOS，含 total 列）。文件名以你的实际输出为准（ls 查看）。曲线文件表头应含 # Energy zero: HOCO。在 O 的 PDOS 中，HOMO（第 4 个态，1b1）几乎完全来自 px，因为分子位于 yz 平面，1b1 轨道垂直于分子平面。
  • TiO2（旧语法）：生成 tio2_pdos-k1-1.pdos、tio2_pdos-k2-1.pdos（分别对应 Ti 和 O，以文件第一行为准）和 tio2_pdos-list1-1.pdos（原子 1）。价带顶以 O 2p 为主，导带底以 Ti 3d 为主。旧格式只有离散态，需要自己展宽（见教程第 6 节的 Python 片段）。
  • 石墨烯：总 DOS 在费米能级附近应接近“V”形并在 0 eV 处趋于零（狄拉克点）；pz 分量主导 −2 到 +2 eV 范围。输出中会出现警告 State-resolved k-point PDOS output is not implemented yet，这是正常的：k 点 PDOS 只有展宽曲线文件。
  • Si：si_band.bs 中有两个 # Set 块（91 个和 31 个 k 点）。以 VBM 为零点作图后，价带顶在 Γ，导带底位于 Γ–X 线上靠近 X 处，为间接带隙。PBE 带隙远小于实验值（1.17 eV，低温），且 DZVP 基组对导带的描述不如 TZV2P 完备，具体数值请以你的计算为准。

本仓库不附带参考输出文件；数值取决于 CP2K 版本、基组和并行设置。

注意事项

  • 版本：&DOS 下的 &PDOS/&CURVE/&BROADEN/NLUMO 只在 2026.2 及以后可用；2026.2 不再识别 &PRINT/&PDOS，会报 unknown subsection PDOS of section PRINT。反过来，新语法拿到旧版本上也会报错。
  • DELTA_E 没有单位：2026.2 中 DELTA_E 是 Hartree 原子单位的纯数（默认 0.001），不要写 [eV]。WIDTH 有单位，可以写 WIDTH [eV] 0.1。
  • &SMEAR 一定要写 METHOD：2026.2 中 METHOD 的默认值是 GAUSSIAN，2026.1 及以前是 ENERGY_WINDOW，不写会得到你不想要的展宽方式。
  • 能带文件追加写入：&BAND_STRUCTURE FILE_NAME 指定的文件以追加方式打开，重复运行前先删除旧文件，否则 .bs 中会有多套数据。
  • k 点与对称性：分析 COMPONENTS 分量时不要打开 &KPOINTS SYMMETRY；对称约化会旋转轨道分量（官方文档的警告）。
  • 基组：DZVP 对价带足够，但空带（导带）对基组更敏感；定量比较带隙或导带形状时用 TZV2P 复查。