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算例 9-1：金刚石的总态密度与投影态密度（Dos.fileout + DosMain）

目的

用 OpenMX 4.0 计算金刚石的总 DOS 与 PDOS：SCF 时打开 Dos.fileout 输出 cdia_dos.Dos.val（本征值）和 cdia_dos.Dos.vec（本征矢），再用 DosMain 以四面体法生成 cdia_dos.DOS.Tetrahedron 与 cdia_dos.PDOS.Tetrahedron.atomN.*。练习交互式与非交互式（答案文件 / here-doc / 驱动脚本）运行 DosMain，以及用 Python 按元素、角动量求和并检查积分电子数。

对应教程：第9章 态密度 DOS/PDOS、COHP 与光学性质。

文件说明

文件 作用
Cdia_dos.dat 金刚石（a = 3.567 Å）原胞，C6.0-s2p2d1，scf.Kgrid 10 10 10，Dos.Erange -30 20，Dos.Kgrid 16 16 16；System.Name cdia_dos
dosmain_answers_dos.txt DosMain 的回答：四面体法（1）、总 DOS（1）
dosmain_answers.txt DosMain 的回答：四面体法（1）、PDOS（2）、原子 1 2
run_dosmain.sh 通用驱动：读取 .Dos.val 头部的 mode、Kgrid、atomnum，自动生成回答，依次计算总 DOS 与 PDOS（也适用于第 9-2、9-3 等算例）
sum_pdos.py 把 PDOS 文件按元素 / 物种 / 原子与 s、p、d、f 求和（可按 m 分辨），打印费米能以下的积分电子数，检查 ΣPDOS = DOS，可作图
job.slurm Slurm 脚本：OpenMX → DosMain（两次）→ sum_pdos.py

运行步骤

  1. 修改 Cdia_dos.dat 中的 DATA.PATH。
  2. 编译 DosMain（一次即可）：
cd /path/to/openmx4.0/source && make DosMain && cp DosMain ~/bin/
# official Debian package instead:
# export LD_LIBRARY_PATH=/opt/openmx4.0/runtime/lib:$LD_LIBRARY_PATH
  1. 计算与后处理：
cd OpenMX/examples/09-dos-pdos-cdia
mpirun -np 8 openmx Cdia_dos.dat -nt 1 | tee cdia_dos.std
DosMain cdia_dos.Dos.val cdia_dos.Dos.vec < dosmain_answers_dos.txt   # total DOS
DosMain cdia_dos.Dos.val cdia_dos.Dos.vec < dosmain_answers.txt       # PDOS of atoms 1 2
# or simply:  bash run_dosmain.sh cdia_dos tetra
python3 sum_pdos.py cdia_dos --dat Cdia_dos.dat --plot --emin -28 --emax 15
  1. （可选）交互式体验一次：DosMain cdia_dos.Dos.val cdia_dos.Dos.vec，依次回答 1、2、1 2。

预期结果 / 如何检查

  • 生成的文件：cdia_dos.DOS.Tetrahedron，cdia_dos.PDOS.Tetrahedron.atom1、.atom1.s1、.atom1.p1..p3、.atom1.d1..d5（atom2 同理）。列为：能量（eV，化学势为零点）、DOS（states/eV）、积分 DOS。
  • awk '$1<=0 {n=$3} END{print n}' cdia_dos.DOS.Tetrahedron 应接近 8（两个 C 原子的价电子数），因为 Dos.Erange 下限 −30 eV 低于价带底。
  • sum_pdos.py 输出（示意输出，数值仅供参考）：
method: Tetrahedron, 18 files, spin-polarized: False
C d                          -> cdia_dos.pdos_C_d.dat              N(E<E_F) = 0.0xx
C p                          -> cdia_dos.pdos_C_p.dat              N(E<E_F) = x.xxx
C s                          -> cdia_dos.pdos_C_s.dat              N(E<E_F) = x.xxx
max |sum(PDOS) - DOS| = 0.00xx states/eV (small only if PDOS was done for ALL atoms)
figure written to cdia_dos_pdos.png
  • s + p + d 的积分之和约为 8；s、p 并不严格等于 2×1 和 2×3（杂化导致电荷在 s、p、d 之间重新分配，手册 23.1 节也有说明）。费米能附近约 4 eV 的范围内 DOS 为零（PBE 带隙）。

注意事项

  • Dos.Erange 以化学势为零点；积分 DOS 从下限开始累加，下限高于某些占据态（尤其半芯态）时，0 eV 处的积分值会小于价电子数。占据数请以 .out 中的 Mulliken 布居为准。
  • 自旋极化计算的 PDOS 文件有 5 列，第 3 列（下自旋 DOS）在 4.0 的 DosMain 中带负号；sum_pdos.py 保留该约定，积分时取绝对值。
  • DosMain 的提问顺序随情况变化：k 网格为 1×1×1（分子）或 DC 计算时不询问方法、只询问高斯宽度；单原子体系不询问原子编号。写答案文件前先确认，或直接用 run_dosmain.sh。
  • .Dos.vec 可能非常大（k 点 × 本征态 × 基函数），大体系请考虑 DosGauss.fileout（教程 §9）。

返回教程：第9章 态密度 DOS/PDOS、COHP 与光学性质