输入输出格式

BDF的输入格式

BDF输入文件格式有三种，分别为：简洁输入（easy input）；高级输入（advanced input）；混合输入（mixed input）。 简洁输入 易用性强，用户无需对计算细节太了解，使用门槛低，面向初级用户。 高级输入 提供了对BDF计算强大的控制功能，对每个计算模块都可以精确控制。 混合输入 是在BDF简洁输入中，添加部分高级输入模式定义的内容。 BDF的混合输入，是希望在保持BDF简洁输入便利、对初学者友好的基础上，通过增加按照高级输入格式定义的、精确控制BDF计算模块行为的字段，来完成一些高级的计算功能。简而言之，BDF的混合输入是BDF简洁输入与高级输入的组合。对于初学者，只需用BDF简洁输入即可完成大多数计算任务。对于有量子化学理论基础的用户，想深入学习和使用BDF更高级的功能，可以学习采用BDF的高级输入。

备注

输入中除 文件名、 shell命令 及 环境变量名 外，其它输入，如BDF的 模块名 、 关键词 及 关键词的值 等都不区分大小写字母。

BDF的简洁输入（easy input）

以水分子的单点能计算为例来详细描述BDF简洁输入格式：

#!H2O.bdf
B3lyp/3-21G

Geometry  # 输入原子坐标，单位 Angstrom
O 0.00000    0.00000    0.36827
H 0.00000   -0.78398   -0.18468
H 0.00000    0.78398   -0.18468
End Geometry

BDF简洁输入包含3个输入块：

第一输入块

只有一行，以 #! 开始，后面是输入脚本的名字，例如 #!name.bdf , 可以是说明文字。

第二输入块

从第二行开始，到 Geometry 前一行结束。这一输入块，可以由多行组成，是BDF的命令控制行，用于指定BDF做什么计算任务，可以由多行组成，可以用于指定计算方法，基组、泛函、电荷数及自旋多重度的等一些基本的计算控制参数。命令行内容以空格分开不同的关键词。关键词及其值用等号分开，一个关键词如果没有值，关键词本身即为控制关键词。关键词可以有一个值，也可以有用逗号分开的多个值。关键词可以有多行，如果一行中出现了 # ，则 # 后的行为注释语句。

第三输入块

从 Geometry 行开始，到 End Geometry 行结束，输入分子的几何结构，具体格式见分子结构的输入格式说明。

小技巧

本算例的第三行是空行，BDF输入中的空白行,除了在定义分子坐标 Geometry ... End geometry 之间的，其它的空行都是非必要的，但为了输入的可读性，强烈建议用户用空行分割不同的输入块和不同的模块。

BDF的高级输入（advanced input）

BDF高级输入是最初开发BDF时设置的输入模式，特点是 模块引导计算+模块参数控制，格式如下：

$bdfmodule1
# Comment
Keyword1
  value # inline comment
Keyword2
  value
  ...
$end

%cp $BDFTASK.scforb $BDF_TMPDIR/$BDFTASK.inporb
$bdfmodule2
Keyword1
  value
Keyword2
  value
  ...
$end

说明如下：

这个输入包含了两个BDF的计算模块，分别为 bdfmodule1 和 bdfmodule2 (此处仅为举例，并非真的存在名为 bdfmodule1 和 bdfmodule2 的模块)。一个计算任务可能包含多个BDF模块。
模块引导计算: 指完成该计算将顺序执行两个计算模块。每个模块的输入从 $bdfmodule 开始，至随后第一次出现的 $end 关键词结束, $bdfmodule 与 $end 之间是该模块的控制关键词及其值。其中 bdfmodule 是BDF的计算模块名，如 COMPASS、 XUANYUAN 、 SCF 等。
模块参数控制: 指每个模块通过自有的关键词来控制其计算行为，参数控制输入采用 关键词+值 的模式，关键词的值从关键词所在行的下一行开始，根据具体的关键词，可以是单行、也可以是多行。BDF每个计算模块读取并处理自己模块所属的关键词及值。

BDF的高级输入格式需要对量子化学理论有一定了解，也需要知道BDF每个计算模块具体的功能。BDF将不同的计算功能尽可能的独立出来，编译为单独的可执行文件，相当于一个个小工具，然后通过用python语言写的 bdfdrv.py 按照计算流程依次调用不同的计算模块来完成复杂的计算任务，各模块之间通过临时文件和环境变量交换数据。

这里，我们以水分子为例来详细描述BDF高级输入格式：

#Example for BDF advanced input
$compass
Title
 Water molecule, energy calculation
Geometry
O 0.00000    0.00000   0.36827
H 0.00000   -0.78398   -0.18468
H 0.00000    0.78398   -0.18468
End geometry
Basis # 基组
 3-21G
Group # C2v点群，可不输入，程序会自动判断，常用于对高阶群指定D2h及其子群计算。
 C(2v)
$end

$xuanyuan
$end

$scf
RHF # restricted Hatree-Fock
$end

%cp $BDF_WORKDIR/$BDFTASK.scforb $BDF_TMPDIR/$BDFTASK.inporb
$scf
RKS # restricted Kohn-Sham
DFT
 B3lyp     # B3LYP functional， Notice， it is different with B3lyp in Gaussian.
Guess
 Readmo    # Read orbital from inporb as the initial guess orbital
$end

上面所示的输入文件包含四个计算模块，分别为 COMPASS、 XUANYUAN 和两个 SCF 。 COMPASS 用于读入输入分子坐标，基函数等信息，并存储为BDF内部的数据结构。 COMPASS 的一个重要任务是对分子点群的处理，包括判断分子对称性，产生对称匹配的轨道（symmetry-adapted orbital）等。 XUANYUAN 用于计算单、双电子积分。然后调用两次 SCF 模块执行自洽场（self-consistent field）计算，一次为RHF（Restricted Hatree-Fock），另一次为RKS（Restricted Kohn-Sham）。

每个计算模块的输入遵循 “关键词+值” 的格式，即给出一个关键词，如 COMPASS 中的 Group，紧接着一行为该关键词的值，这里是 C(2v)。有的关键词本身即用于逻辑控制，如第一个 SCF 模块中的 RHF，指定 SCF 模块执行 RHF 计算，这类关键词不需要额外的输入值。而有的关键词的值需要多行输入，具体参见各个模块的关键词说明。

在第一个和第二个 SCF 模块之间，有一个 % 开头的行。这里，我们插入了一条shell命令，执行一个拷贝文件的任务。将第一个 SCF 计算产生的放在 BDF_WORKDIR 中的 $BDFTASK.scforb 文件拷贝到 BDF_TMPDIR ，并更名为 $BDFTASK.inporb 。在第二个 SCF 模块中，我们指定了关键词 guess ，值为 readmo ，即读入分子轨道作为初始猜测。在BDF高级输入中，以 % 起始的行为shell命令行。输入中以 # 号开头的行或者行中包含 # 号，所有的 # 号后面的内容都是注释语句。

下面的 BDF模块及计算流程图 给出了各模块的调用顺序，

_images/BDFpromodules.png — 图 1 BDF模块及计算流程图

小技巧

一个完整的计算任务需调用多个BDF计算模块。高级输入中各模块出现的顺序由 BDF模块及计算流程图 给出。一般的计算任务只会涉及上图所示模块中的一小部分，例如大部分计算任务不需要 AUTOFRAG 模块，第一个计算模块实际上是 COMPASS ；只有对于 iOI-SCF 和 FLMO 计算，才应该出现 AUTOFRAG 模块（并放到 COMPASS 之前），用以对分子进行自动分片，然后再调用 COMPASS 等其他计算模块完成工作。
有的计算逻辑较复杂，例如 分子结构优化 ，如果利用Kohn-Sham方法优化分子结构， COMPASS 模块对分子结构，基组等预处理后， BDFOPT 模块将多次顺序调用 XUANYUAN->SCF->RESP 三个模块，分别计算单电子积分、自洽场能量及能量对原子核坐标的的梯度优化分子结构。
实际计算中，BDF的简洁输入文件被翻译为BDF的高级输入格式，存储在 BDF_ΤΜPDIR 指定的临时文件夹中的隐藏文件 .bdfinput 中。

下面的 BDF模块及功能表 给出了BDF的模块名及功能。

表 1 BDF模块及功能表
模块名	功能
AUTOFRAG	分子自动分片，驱动iOI-SCF和FLMO计算
COMPASS	分子结构、基组及对称性预处理
XUANYUAN	原子轨道积分
BDFOPT	分子几何结构优化
SCF	Hartree-Fock及Kohn-Sham自洽场
TDDFT	含时密度泛函计算
RESP	Hartree-Fock、Kohn-Sham及TDDFT梯度
GRAD	Hartree-Fock梯度
LOCALMO	分子轨道定域化
NMR	核磁屏蔽常数计算
ELECOUP	电子迁移积分，能量迁移积分，定域化激发态
MP2	Møller-Plesset二级微扰理论

表 2 BDF高级输入说明表
输入内容	说明
$modulename…$end	modulename为BDF计算模块的控制输入,所有的modulename在$BDFHOME/database/program.dat文件中查询
#号	#号开始的行或者每行中#号后续的内容均为注释语句
*号	号只放于行首，以号开始的行为注释行
%号	%号开始的行，%号后的内容为Shell命令，通常用于处理中间文件
&database…&end	有些复杂的计算，如FLMO，需要定义分子片段等信息，这通常放于&database与&end之间。请参考 test062

BDF的混合输入（mixed input）

混合输入结合了BDF的简洁输入与高级输入格式，既可享有BDF简洁输入的便利性，又可对BDF的计算模块进行精准的控制，这在执行复杂的计算时非常有用。

BDF混合输入文件的基本结构如下：

#!name.bdf
方法/泛函/基组 关键词 关键词=选项 关键词=选项1,选项2
关键词=选项

Geometry
分子结构信息
End Geometry

$modulename1
...       # 注释语句
$End

$modulename2
...
$End

一个混合输入文件可分为4个输入块， 其中前三个输入块是BDF的简洁输入模式的格式 ，第四个输入块，是 End geometry 后剩余的内容，与BDF高级输入的格式相同，用于对具体的BDF计算模块的行为进行精确控制，这些参数被加入相应的BDF计算模块中，具有最高的控制优先级。

以水的阳离子为例来详细描述BDF混合输入格式：

#!H2O+.bdf
B3lyp/3-21G iroot=4

Geometry
O 0.00000    0.00000   0.36827
H 0.00000   -0.78398   -0.18468
H 0.00000    0.78398   -0.18468
End Geometry

$scf
Charge # 指定电荷数为+1
 1
molden # 输出分子轨道为molden格式文件
$end

上例除了BDF简洁输入的必要内容外，还加入了以 $scf 开始，到 $end 结束的行，用以控制 SCF 模块。该输入混合了BDF简洁输入和高级输入的内容，在 SCF 模块的输入中，加入了关键词 charge ，设定值为 1 ，用于计算 $\ce{H2O+}$ 离子， molden 关键词控制将SCF收敛后的轨道输出为 molden 格式文件，可用于分子结构、轨道、电子密度的可视化，分析波函数，或计算单电子性质。需指出的是，在混合输入格式的第二行命令行，可以用 charge = -1 来控制计算 $\ce{H2O+}$ 阴离子，但若在后面的scf模块输入中，也使用了 charge 关键词，则后者具有最高的控制优先级，将覆盖命令行中的输入。换言之，在混合输入格式下，每个BDF计算模块的高级输入关键词具有最高的控制优先级。

分子结构的输入格式

BDF的分子结构输入从 Geometry 开始，到 End geometry 结束，可以按照直角坐标，内坐标，或者指定xyz文件格式的三种方式输入。

警告

BDF输入坐标的默认单位为埃（Å），如果需要使用原子单位输入分子结构，需用关键词 unit=Bohr 来指定。BDF的简洁输入模式下， unit=Bohr 放在第二行控制行。如果是高级输入模式，在Compass模块使用关键词 unit ，并指定值为Bohr。具体见下面的示例。

在简洁输入的控制行指定分子坐标单位，输入的 $\ce{H2}$ 分子键长为1.50 Bohr。

#! bdftest.sh
HF/3-21G unit=Bohr

Geometry
  H  0.00 0.00 0.00
  H  0.00 0.00 1.50
End geometry

高级输入模式下，控制分子坐标单位

$compass
Geometry
  H  0.00 0.00 0.00
  H  0.00 0.00 1.50
End geometry
Basis
  3-21G
Unit
  Bohr
$end

分子结构的直角坐标格式输入

Geometry # default coodinate unit is angstrom
O  0.00000   0.00000    0.36937
H  0.00000  -0.78398   -0.18468
H  0.00000   0.78398   -0.18468
End geometry

分子结构的内坐标格式输入

内坐标采用定义键长、键角、二面角的格式输入，其中键长的单位为埃，键角和二面角的单位为度。输入模式举例如下：

Geometry
atom1
atom2 1   R12                  # R12为原子2、1之间键长
atom3 1   R31  2 A312          # R31为原子3、1之间键长， A312为原子3、1、2定义的键角
atom4 3   R43  2 A432 1 D4321  # R43为原子4、3之间键长， A432为原子4、3、2定义的键角，D4321为原子4、3、2、1定义的二面角
atom5 3   R53  4 A534 1 D5341  # R53为原子5、3之间键长， A534为原子5、3、4定义的键角，D5341为原子5、4、3、1定义的二面角
...
...
End Geometry

具体的，对于水分子，内坐标输入如下：

Geometry
O
H  1   0.9
H  1   0.9 2 109.0
End geometry

内坐标输入，利用变量定义内坐标数值如下（ 目前仅简洁输入支持坐标变量！ ）：

Geometry
O
H  1   R1
H  1   R1  2  A1        # 定义分子内坐标，坐标值用变量代替

R1 = 0.9                # 定义坐标变量的值
A1 = 109.0
End geometry

警告

内坐标定义注意要保留空白行，内坐标和坐标变量的值之间通过空行分割。

内坐标格式输入，势能面扫描如下（ 目前仅简洁输入支持势能面扫描！ ）：

例1： $\ce{H2O}$ 的坐标输入，势能面扫描，键长从0.75埃开始，按照0.05埃的步长，键长由小到大计算20个点。

Geometry
O
H  1   R1
H  1   R1  2  109    # 定义分子内坐标，OH键长定义为变量R1

R1  0.75 0.05 20    # R1的起始值, 扫描步长,扫描点数。 注意保留上一行的空白行
End geometry

例2： $\ce{H2O}$ 势能面扫描的简洁输入，键长从0.75埃开始，按照0.05埃的步长，键长由小到大计算20个点。SCF通过Read获取初始猜测轨道。

#! h2oscan.bdf
B3lyp/3-21G Scan Guess=readmo

Geometry
O
H  1   R1
H  1   R1  2  A1   # 定义分子内坐标，OH键长定义为变量R1, HOH键角为A1

A1 = 109.0        # 定义键角的值，注意保留上一行空白行

R1 0.75 0.05 20   # 定义OH键长R1的起始值，扫描步长及扫描点数。
End geometry

从指定文件中读入分子坐标

Geometry
file=filename.xyz    # 需为当前工作下的文件 filename.xyz，只支持xyz格式的输入。
End geometry

BDF输出文件

文件扩展名	说明
.out	主输出文件
.out.tmp	结构优化及数值频率任务的副输出文件（包含能量、梯度等计算步骤的输出）
.pes1	结构优化及数值频率任务各步的分子结构（埃）、能量（Hartree）及梯度（Hartree/Bohr）
.egrad1	结构优化及数值频率任务最后一步的能量（Hartree）及梯度（Hartree/Bohr）
.hess	Hessian矩阵（Hartree/Bohr^2）
.unimovib.input	UniMoVib输入文件，可用于热化学分析
.nac	非绝热耦合矢量（Hartree/Bohr）
.chkfil	临时文件
.datapunch	临时文件
.optgeom	标准取向下的分子坐标（Bohr）。其中对于结构优化任务，为结构优化最后一步的分子坐标
.finaldens	最后一步SCF迭代的密度矩阵
.finalfock	最后一步SCF迭代的Fock矩阵
.scforb	最后一步SCF迭代的分子轨道
.global.scforb	FLMO/iOI计算最后一步SCF迭代的分子轨道
.fragment.	FLMO/iOI计算的子体系计算相关输出文件
.ioienlarge.out	iOI计算第1步及之后的宏迭代的子体系组成信息

某些计算任务可能会产生以上所未列举的其他输出文件，这些文件一般为临时文件。

量子化学常用单位及换算

量子化学程序大部分内部运算使用原子单位制（atomic unit, a.u.）。这使得各种计算公式中不需要涉及单位转换，既使得代码简洁，也避免额外的运算和精度损失。量化程序输出中间数据时一般也用原子单位制，但输出有化学意义的数据时大多还是会转换成常用的单位。

能量 1 a.u. = 1 Hartree

质量 1 a.u. = 1 m _e （电子质量）

长度 1 a.u. = 1 Bohr = 0.52917720859 Å

电量 1 a.u. = 1 e = 1.6022×10 ^-19 C

电子密度 1 a.u. = 1e/Bohr ³

偶极矩 1 a.u. = 1 e · Bohr = 0.97174×10 ²² V/m ² = 2.5417462 Debye

静电势 1 a.u. = 1 Hartree/e

电场 1 a.u. = 1 Hartree/(Bohr · e) = 51421 V/Å

能量单位换算

1 unit =	Hartree	kJ·mol ^-1	kcal·mol ^-1	eV	cm ^-1
Hartree	1	2625.50	627.51	27.212	2.1947×10 ⁵
kJ·mol ^-1	3.8088×10 ^-4	1	0.23901	1.0364×10 ^-2	83.593
kcal·mol ^-1	1.5936×10 ^-3	4.184	1	4.3363×10 ^-2	349.75
eV	3.6749×10 ^-2	96.485	23.061	1	8065.5
cm ^-1	4.5563×10 ^-6	1.1963×10 ^-2	2.8591×10 ^-3	1.2398×10 ^-4	1

长度单位换算

1 unit =	Bohr	Å	nm
Bohr	1	0.52917720859	0.052917720859
Å	1.88972613	1	0.1
nm	0.188972613	10	1