QE：金刚石C K边吸收谱的准备与计算

1. 计算路线#

QE的 xspectra.x 可结合带GIPAW信息的赝势与基态电子结构计算X射线吸收近边谱。本例演示金刚石C K边的偶极跃迁流程：准备吸收原子和赝势→SCF→提取1s芯态→Lanczos谱→处理占据态和展宽→导出作图。

实际采用8个C的立方晶胞，a=6.740256 Bohr，约3.5668 Å。PBE、40/160 Ry波函数/密度截断，SCF为2×2×2 Γ中心网格，吸收谱采用位移的2×2×2网格。本例适合掌握操作；小晶胞、粗网格和简单芯空穴处理未做系统收敛，不能作为实验吸收边预测。

下载两套SCF与XSpectra完整输入、实际输出、光谱CSV和绘图脚本，保存为 example.zip：

python3 -m zipfile -e example.zip .
cd qe-xspectra-carbon
module load ase/3.29.0
bash read.sh
bash plot.sh

这会读取实际完成的结果生成图表，不会重新运行电子结构计算。新计算需先准备赝势，再提交作业。

2. 把吸收原子单独命名#

同一种元素也可以在 ATOMIC_SPECIES 中定义两个标签。这里用 C_h 标记位于原点的吸收原子，其余七个为 C，使 xiabs=1 明确对应第一种原子类型。

无芯空穴对照使用普通C赝势，总电荷0；芯空穴模型只把一个吸收原子的赝势换成 Ch_PBE_TM_2pj.UPF，并设置 tot_charge=1。这套芯空穴赝势的价电荷为5，配合+1总电荷后仍保持32个价电子。tot_charge为正表示减少电子，不是增加电子。

下面为芯空穴模型的完整 scf.in：

&control calculation='scf',prefix='diamond',pseudo_dir='../../pseudo',outdir='./tmp',tprnfor=.true.,verbosity='high' /
&system ibrav=1,celldm(1)=6.740256,nat=8,ntyp=2,nbnd=16,ecutwfc=40,ecutrho=160,tot_charge=1 /
&electrons conv_thr=1d-8,mixing_beta=.3 /
ATOMIC_SPECIES
C_h 12.0 Ch_PBE_TM_2pj.UPF
C 12.0 C_PBE_TM_2pj.UPF
ATOMIC_POSITIONS crystal
C_h 0 0 0
C 0 .5 .5
C .5 0 .5
C .5 .5 0
C .75 .75 .25
C .75 .25 .75
C .25 .75 .75
C .25 .25 .25
K_POINTS automatic
2 2 2 0 0 0

无芯空穴模型只改变吸收原子赝势和总电荷，对应关键输入为：

tot_charge=0
ATOMIC_SPECIES
C_h 12.0 C_PBE_TM_2pj.UPF
C 12.0 C_PBE_TM_2pj.UPF

完整两个输入均在资料包中。芯空穴模型是带电周期超胞，存在周期背景和镜像作用；正式研究应增大超胞、比较芯空穴近似、网格与展宽，并采用明确的能量对齐方法。

3. 准备官方示例赝势与芯态#

bash prepare.sh
# 已有相同赝势时，可改为 bash prepare.sh /你的赝势目录
ls work-new/pseudo
cat work-new/cases/core-hole/scf.in

准备脚本按固定QE源码提交的官方示例地址下载普通与芯空穴两份UPF并核对SHA256，不附带程序或整套赝势库。下载地址见 MODEL.json。必须使用包含所需GIPAW信息的赝势，不能只把普通赝势文件改名。

从普通C赝势提取1s径向芯态的实际工具命令：

cd work-new/cases/core-hole
bash ../../../tools/upf2plotcore.sh ../../pseudo/C_PBE_TM_2pj.UPF > C.wfc
head -3 C.wfc

首行为 # number of core states 1 = 1 0，表示一个n=1、l=0芯态，后面是径向网格和波函数。例子实际提取1073个径向点，直接积分∫u²dr约1.000026；保留工具的原始打印精度，不另行强制归一化。普通与芯空穴两套谱使用同一份C 1s芯态。

4. 先完成SCF#

在分配的CPU资源中：

module load qe/7.6-8173m
export OMP_NUM_THREADS=1 MKL_NUM_THREADS=1
pw.x -in scf.in > scf.out
grep "number of electrons" scf.out
grep "convergence has been achieved" scf.out
ls tmp/diamond.save

两种模型都应显示32价电子。保存 tmp/diamond.save：后续XSpectra需要同一结构和赝势对应的自洽电子结构，不应把另一套模型的save目录复制过来混用。

5. 一键提交完整示例#

回到资料包根目录，普通账号执行：

sbatch --chdir="$PWD" job.slurm
squeue -u "$USER"

完整脚本申请1个CPU进程、1个线程和4 GiB内存，顺序完成两种模型的SCF、x方向吸收谱、三种缓存重绘及z方向独立谱。使用QE 7.6 CPU构建，Intel oneAPI 2024.2、Intel MPI 2021.13和MKL环境。这里提供的是使用流程，不是CPU性能对比。

结束后：

bash read.sh work-new analysis-new
bash plot.sh analysis-new
cat analysis-new/spectral-summary.csv

下一篇：XSpectra输入、占据态裁剪、展宽与能量参考。

输入来源：QE固定版本官方金刚石XSpectra示例。