同步辐射光源 的应用极大地推动了X 射线吸收精细结构XAFS ）技术的发展。 XAFS 数据由X 射线吸收近边结构 （XANES ）和扩展 X 射线吸收精细结构 （EXAFS ）两部分组成，其中 XANES 主要提供价态、电子态和对称性的信息，EXAFS 可以了解配位壳层的配位数、距离和类型，以及局部结构的无序程度。
然而，现有的数据分析方法已经不能完全满足当前的研究需求。 为了更深入地理解材料的结构特性， 通常 在 EXAFS 拟合后确定模型，并 结合 FDMNES （ Finite Difference Method Near Edge Structure ） 软件对 XANES 模拟计算 。 FDMNES 使用的是密度泛函理论 （DFT ）， 因此，可以模拟所有重元素 K ， L 边。 通过将XANES 计算与 EXAFS 拟合相结合，可以更全面地获取材料的结构信息。 本次内容包含七部分：
1、 案例展示
2、 FDMNES 软件介绍
3 、 FDMNES 计算原理
4 、有限差分法
5 、软件下载与安装
6 、 FDMNES 计算流程
7 、输入及输出文件编写
大家可能对近边模拟计算不是很了解，但是在阅读文献中也经常 会见得到，下图是近边模拟 计算 案例， FeO6 的 Fe K 边 XAFS 光谱和 XANES 计算光谱，一般图片中会有两条线，一条是真实测得的 XAFS 数据（图中黑色），另一条是通过计算得到的 XANES 数据（图中红色）。 图 1 Fe K 边测得的 XAFS 光谱和 XANES 计算光谱 💠 免费开源软件，支持 Win ， Linux ， MacOs 三种操作系统， Linux 下支持 MPI 并行计算；
💠 从头计算模拟： XANES ， XMCD ， XES ， XRS ， DAFS ， EELS ；
💠 密度泛函 (DFT)- 局域自旋密度近似 (LSDA)( 重元素 K ， L 边 ) ， LSDA+U TD-DFT(3d 元素 L23 ；重元素 M4504s) ； 💠 两种方法解薛定谔方程：有限差分方法 (FDM)( 全势高精度 ) 和多重散射理论 (MST)( 运行速度快 ) ；
FDMNES 计算原理基于多重散射理论，使用格林函教而不是波函数。
[– Δ +Vcoul ‘ + ∑ (E) ] ψ f= Ef ψ f Vcoul ‘= Vcoul + Vcoul-hole Μ( ω )~ ∑f f |H ‘ |ψi >2 δ( E f – E i – ℏ ω ) 有限差分法是一种数值分析方法，用于求解偏微分方程（ PDEs ）和常微分方程（ ODEs ）。它通过将连续的数学问题离散化为代数方程组来近似求解。有限差分方法计算比较耗时，但是也有一些优势，如，可以进行并行计算，稳定性强，低的对称性等。
可以对 XANES 进行计算的软件有很多， 例如大家比较熟知的 VASP 软件 。但是本次内容主要讲如何使用 FDMNES 软件的应用。 FDMNES 软件由法国国家科学中心奈尔研究所 Joly 团队开发，可免费下载，解压后即可使用，无需安装。下载网址： https://fdmnes.neel.cnrs.fr/ 发文请引： O. Bunauand Y. Joly, Self-consistent aspects of x-ray absorption calculations, J. Phys.: Condens. Matter21, 345501 (2009). 官方网站的首页展示了FDMNES 软件，FDMNES 通常作为外部程序使用，与 FitIt 软件结合，用于计算 XANES 拟合的基本光谱。 点击 downloaded 后会看到不同的安装版本，可以根据需求自行下载。 下载完成后，解开压缩包可以看到 5 个文件。其中，Doc 文件夹中主要存储该软件的使用教程、更新说明以及使用说明等； Sim 文件夹中存放计算输入文件、输出文件以及软件的配置文件； fdmfile.txt 主要写入计算路径， fdmnes_win64.exe 为执行文件。 FDMNES 运行流程为，选取要计算的参数，读取 indata 文件，计算 XANES 光谱，卷积计算，与实验谱对比，优化原子坐标和电荷参数、能量位移和卷积参数，构造 cluster ，计算自洽势和费米能级，计算终态波函数，计算吸收系数，局域态密度等。 以 VO 6 _inp.txt 为例，基本的输入文件编写大体为：在 Sim/Test_stand/ 中编写输入文件，该文件主要包括计算中需用到的各种参数、卷积等，之后在 fdmfile.txt 中写入输入文件的地址，然后执行 fdmnes_win64.exe ，等运算结束即可获得相应计算数据。 cif 结构文件输入： XANES 拟合所需的结构有两种方式进行导入，一种是将 cif 文件和输入文件放在同一文件夹中，通过 cif_file 描述该结构文件的路径；另一种是直接将原子坐标导入至输入文件中。 计算文件 ： sim — Test_stan — in 文件夹内的文件内容，涵盖了与模型及 XANES 模拟相关的所有参数。例如，下图所展示的是名为 Cu inp.txt 的参数文件。
输出命令 Fileout ： 定义输出文件，包括文件所在的地址以及文件名。需要注意的是，地址中写的文件夹都必须已建立。
能量步长命令 Range ： 可以与实验谱中实际采集的步长相匹配，可以设置多个步长，吸收边前 20 eV 到吸收边前 10 eV 之间步长为 0.5 eV ，以此类推。
计算半径 Radius ： 单位为 Å ，定义需要计算的 cif 结构中吸收原子周围结构大小， Radius 太大会导致计算数据量大，太小会导致计算出现错误。
Convolution ： 卷积是形成谱形的重要参数，通过卷积参数调节可以对谱形进行改变。
图 12 加入 Energhpho 和 Green 函数参数 Energpho ： 决定了计算谱中的横坐标是否以吸收边为基准，如图 1 ，计算了 Cu 的 XANES 光谱。 Green 函数 ： 目前 FDMNES 提供了 FDM 模式和多重散射模式，后者使用 Green 命令调出，计算比较快 ；如果不加任何命令，默认为 FDM 模式，计算较慢。
命令文件 fdmfile.txt ： 输入文件编辑后，还需在 fdmfile.txt 命令中编写执行命令，即直接将要计算的输入文件地址写入，要计算几个谱就在最上方写对应的数字。如要一次计算 5 条谱，便可编写 5 个输入文件，并以此将路径写入命令行，如图 2 。
注意： fdmfie.txt 不能改名字，必须与 fdmnes 可执行程序在同一路径下！ 输出文件： 一般会有三个输出文件，分别为 name.txt/name_bav.txt/name_conv.txt ，分别是未卷积的谱、计算过程文件、卷积后的谱（也就是我们所需的文件），如图 16 所示 。注意： ! 代表注释行；关键词不区分大小写；数字之前空格间隔，严谨使用制表符“ Tab ”；如果出现 fdmnes error.txt 请查看错误信息，通常是输入参数有问题， 可以根据提示内容进行完善。
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