ABACUS 计算 PDOS

作者：陈涛，邮箱：chentao@stu.pku.edu.cn

审核：陈默涵，邮箱：mohanchen@pku.edu.cn

最后更新时间：2024/10/12

一、PDOS 文件分析

ABACUS 使用 LCAO 基组进行自洽迭代场计算（Self-Consistent Field，SCF）或 NSCF（Non-Self-Consistent Field，NSCF）计算时，可以在 INPUT 文件里设置 out_dos 为 2 在输出 DOS（Density Of States）的同时输出 PDOS（Partial DOS），PDOS 的文件格式是 xml，其文件内容在英文文档里有介绍：Calculating DOS and PDOS — ABACUS documentation

下面简单介绍一下 PDOS 文件：

1. 能量范围（横坐标）

1. 第一行 <pdos> 代表输出为 pdos，PDOS 文件最后一行会有 </pdos> 代表 pdos 内容结束
2. 第二行的 2 表示自旋极化计算（npsin=2）
3. 第三行表示该 PDOS 文件一共有 720 个不同的轨道，不同轨道的内容会在后面介绍
4. 第四行 <energy_values units="eV"> 到 </energy_values> 中的内容代表 pdos 的能量范围，即横坐标值

<pdos>
<nspin>2</nspin>
<norbitals>720</norbitals>
<energy_values units="eV">
0.00000
0.01000
0.02000
0.03000
0.04000
0.05000
......
24.96000
24.97000
24.98000
24.99000
25.00000
</energy_values>
......
</pdos>

2. 不同轨道的 DOS

1. <orbital> 中 index="1" 表示第"1"条轨道，atom_index="1" 表示第"1"个原子，species="Li" 表示元素为"Li"
2. l="0"，m="0"，z="1"分别代表角量子数为"0"，磁量子数为"0"，每个角量子数上对应的径向轨道为"1" 例如 Li 在标准原子轨道库里是 DZP，具体轨道为 4s1p，如下表所示共 7 个：4 个 s 轨道（分别对应 z 取 1 到 4；l 取 0；m 取 0 到 2l，即 0），3 个 p 轨道（对应 z 取 1；l 取 1；m 取 0 到 2l，即 0，1，2），更具体的介绍可以参考数值原子轨道基组的个数
3. <data>到</data>中的内容代表该轨道的 dos，两列分别对应 spin 为上和下的 dos

<orbital
index="1"
atom_index="1"
species="Li"
l="0"
m="0"
z="1"
>
<data>
0.00000000    0.00000000
0.00000000    0.00000000
0.00000000    0.00000000
0.00000000    0.00000000
0.00000000    0.00000000
......
0.02085550    0.02085546
0.01939430    0.01939436
0.01791958    0.01791972
0.01638296    0.01638315
0.01475548    0.01475571
</data>
</orbital>

二、绘制 PDOS

有三种方式，分别对应 species, atom_index, index

1. species

• 提取指定元素的 PDOS，会在 PDOS_FILE 下生成 species-*.dat 文件，其中 * 代表指定的元素，第一列为横坐标能量范围，第二列到最后一列分别为不同 spin 的 pdos

species: [species_1, species_2, species_3, ...]
# eg: 
# species : ["Li", "Co", "O"]

• 提取指定元素的不同 l（s:0, p:1, d:2, f:3, ......）的 PDOS，会在 PDOS_FILE 下生成 species-* 文件夹，每个文件夹下生成 species-*_l.dat 文件，其中 * 代表指定的元素，第一列为横坐标能量范围，第二列到最后一列分别为不同 spin 的 pdos

species : { species_1: [s, p, d], species_2: [s, p], ... }
# eg: 
# species : {"Li": [0, 1], "Co": [0, 1, 2, 3], "O": [0, 1, 2]}

• 提取指定元素的不同 l 和 m（m:0, 1, ..., 2l）的 PDOS，会在 PDOS_FILE 下生成 species-* 文件夹，每个文件夹下生成 species-*_l_m.dat 文件，其中 * 代表指定的元素，第一列为横坐标能量范围，第二列到最后一列分别为不同 spin 的 pdos

species : { species_1: { s: [m_0], p: [m_0, m_1] }, species_2: { s: [m_0], p: [m_0, m_1], ... }}
# eg: 
# species : {"Li": { 0: [0],  1: [0, 1, 2] }, "Co": { 0: [0],  1: [0, 1, 2], 2: [0, 1, 2, 3, 4], 3: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6] }, "O": { 0: [0],  1: [0, 1, 2], 2: [0, 1, 2, 3, 4] }}

2. atom_index

• 提取指定原子的 PDOS，会在 PDOS_FILE 下生成 atom_index-*.dat 文件，其中 * 代表指定的原子，第一列为横坐标能量范围，第二列到最后一列分别为不同 spin 的 pdos

atom_index : [atom_index_1, atom_index_2, atom_index_3, ...]
# eg: 
# atom_index : [1, 2, 3, 16, 32]

• 提取指定原子的不同 l（s:0, p:1, d:2, f:3, ......）的 PDOS，会在 PDOS_FILE 下生成 atom_index-* 文件夹，每个文件夹下生成 atom_index-*_l.dat 文件，其中 * 代表指定的元素，第一列为横坐标能量范围，第二列到最后一列分别为不同 spin 的 pdos

atom_index : { atom_index_1: [s, p, d], atom_index_2: [s, p], ... }
# eg: 
# atom_index : {1: [0, 1], 17: [0, 1, 2, 3], 34: [0, 1, 2]}

• 提取指定原子的不同 l 和 m（m:0, 1, ..., 2l）的 PDOS，会在 PDOS_FILE 下生成 atom_index-* 文件夹，每个文件夹下生成 atom_index-*_l_m.dat 文件，其中 * 代表指定的元素，第一列为横坐标能量范围，第二列到最后一列分别为不同 spin 的 pdos

atom_index : { atom_index_1: { s: [m_0], p: [m_0, m_1] }, atom_index_2: { s: [m_0], p: [m_0, m_1], ... }}
# eg: 
# atom_index : {1: { 0: [0],  1: [0, 1, 2] }, 17: { 0: [0],  1: [0, 1, 2], 2: [0, 1, 2, 3, 4], 3: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6] }, 34: { 0: [0],  1: [0, 1, 2], 2: [0, 1, 2, 3, 4] }}

3. index

• 提取指定原子轨道对应的 PDOS，会在 PDOS_FILE 下生成 index-*.dat 文件，其中 * 代表指定的原子，第一列为横坐标能量范围，第二列到最后一列分别为不同 spin 的 pdos

index : [index_1, index_2, index_3, ...]
# eg:
# index : [1, 2, 3, 4]

三、绘制 PDOS 的流程

https://github.com/deepmodeling/abacus-develop/tree/develop/tools/plot-tools

使用 abacus-plot 程序可以绘制 PDOS，具体步骤如下：

1. 安装 abacus-plot

cd /path_to_abacus/tools/plot-tools
python setup.py install

2. 准备输入文件 config.json

{
    "pdosfile": "PDOS",
    "efermi": 6.585653952007503,
    "species" : ["Li", "Co", "O"]
}

• pdosfile：实际 PDOS 文件的路径（相对路径和绝对路径均可）
• efermi：费米能，单位是 eV，可以在输出文件 running_scf.log 里得到（关键字：EFERMI）
• species：对应第二节介绍的三种输出模式参数

3. 运行 abacus-plot 输出 PDOS

abacus-plot -d -o