晶体建模软件在固体物理教学中的应用

吕珍龙+崔红玲

【摘要】固体物理学是物理专业的一门重要的专业课程，该课程中晶体结构部分要求学生有较强的空间想象能力，靠借助通常的教学手法很难给出直观的晶体结构图，而使用晶体建模软件却能克服这一困难，本文主要介绍VESTA软件在该部分教学中的应用。

【关键词】固体物理 晶体结构 教学手法 软件模拟

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）10-0157-02

固体物理学是研究固体物质的微观结构，固体的宏观物理性质，构成固体的微粒的各种运动以及它们之间的相互关系的一门学科，涉及到晶体学，力学，热学，电磁学，光学等诸多物理学科的知识，它是材料、半导体、微电子等学科和技术的基础。不同的固体内部有着不同的微观结构，通常从结构相对简单的晶体开始研究，对晶体的结构和性质的研究可以为以后进一步研究复杂固体物质的性质奠定基础。由于晶体内部微粒的排布形式很多，导致其空间结构种类也很多，通常的几何作图法只能展示最简单的几类晶体结构，这就需要我们借助其它手段来展示晶体的微观结构。

随着材料模拟软件的诞生，我们可以利用计算机来实现对晶体结构的建模和研究。这类模拟软件可以以球棒等模型来形象、直观的展示不同晶体内部微粒排布情况，这为固体物理教学带来了极大的便利，使枯燥抽象的平面教学成为生动形象的立体教学，从而调动学生的学习兴趣，加深其对晶体结构的理解和掌握。VESTA是这类软件中优秀的一款，该软件可直接安装在WINDOW系统中，使用该软件无需编程，它可演示不同晶体的三维立体结构及相关参数，并具有很多突出的优点。下面我们以空间群为F-43M的立方BN晶体为例，来说明如何使用VESTA进行晶体结构教学。

建立晶体结构：打开软件主界面，点击File下拉菜单后单击New structure项，弹出New Data窗口，单击Unit cell菜单，在Space group中输入空间群号216后敲回车键，然后在Lattice Parameters复选框下输入晶格常数参数3.58 ?，后点击Structure Parameters窗口下的New按钮，再单击Symbol按钮可弹出元素周期表，在元素周期表中单击B元素按钮，B元素即被选中同时弹出的周期表窗口自动关闭，再在Label框中输入元素符号B，接着在下面的三个与坐标有关的数据框中分别输入B元素的原子占位坐标（0 0 0），再次单击New按钮，按同样的方法选取N元素并分别输入它的原子占位坐标（0.25 0.25 0.25），即可在主窗口生成立方BN的晶体结构图。把光标移到主窗口的晶体结构图上，按下鼠标左键即可随意转动BN晶体的三维晶体图，以便从不同方向进行查看比较。

晶体结构信息：晶体结构生成后，在该主窗口下面Output框内会显示晶体的空间群号，晶格的长度、夹角、体积、等价原子的坐标等所有与晶格常数相关的信息。在该窗口左侧的Style选项卡下可选择球棒模型，空间堆积模型，多面体模型，流水线模型和棒状模型来显示晶体中的原子和化学键。在主窗口的最左侧点击测量键长、键角、原子扭角、晶面二面角的工具按钮，然后在主窗口分别选取所要测量的键长、键角等相关的原子，即可在Output信息框中显示出相关原子的具体坐标、对称性操作以及相关的测量值。如果想知道晶体原子具体的对称性，可单击主窗口左上角的Utilities下拉框，单击Equivalent Positions，即可弹出显示晶体中的同类原子之间的坐标关系及其对应的对称性操作矩阵。

显示原子振动位移和磁矩：在主窗口显示晶体结构图时，单击主窗口左上面的Edit下拉框，点击Vectors选项后程序弹出Vectors窗口，在Filter下拉框中选By Site则在其右边的框内自动出现该晶体的第一个构成元素B，并在该窗口下显示B元素的所有坐标。单击某一B原子坐标所在行后，右边Vectors框内New按钮由灰变黑，单击该按钮可弹出另一个Create a New Vector窗口，在下面三个坐标参数窗口依次输入该元素的振动位移或者磁矩矢量的对应的三个分量，单击OK后回到Vectors窗口，单击Set按钮，即可在晶体结构中该原子上添加上矢量箭头，依次操作即可完成对B原子的添加。在By Site框后的下拉框中选中N元素，按上面同样的流程操作即可实现对N原子的振动位移的添加。

体积量的三维展示：在主窗口打开晶体结构文件，然后点击主窗口的Utilities下拉框，单击Model Electron Densities，程序即开始计算晶体的电子密度分布，计算结束后点击Utilities下拉框中的Patterson Densities，选取From Model Electron Densities后，电子密度分布会自动添加到晶体结构图中。若要显示与电子密度分布有关的不同密度分布则需选取Utilities下拉框中的Conversion of Electron Densities，然后在弹出的窗口中勾选所需的如拉普拉斯电子密度、电子动能势能密度、电子能量密度或自然对数密度，则可在主窗口生成对应的三维密度分布图，进而研究晶体中电子密度分布特点和成键性质。

总之，VESTA是一款非常优秀的晶体学软件，在固体物理教学中引入VESTA晶体建模软件会使抽象、枯燥的传统式板书教学变得生动活泼、形象直观。通过对这种简单的、可视化的建模软件的操作，无疑会激发学生们的学习兴趣，加深其对晶体学概念和知识的掌握，为随后对晶体性质的研究奠定良好的基础。因此我们提倡把这类软件引入实际教学中，让其对固体物理学教学发挥更大的作用。

参考文献

[1]方俊鑫，陆栋.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]章天金，马志军，江娟等.三维动画技术在固体物理学教学中的应用[J].沈阳师范大学学报，2007，25：454.

基金项目： 河南省教育技术装备和实践教育研究项目（GZS274），河南省教育厅高等教育教学改革项目（2014197），河南科技大学重大教育教学改革项目（2015YBZD-012），河南科技大学教育教学改革项目（2015YB-024），河南科技大学博士科研启动基金项目（13480039）.