晶體建模軟件在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用

呂珍龍+崔紅玲

【摘要】固體物理學(xué)是物理專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，該課程中晶體結(jié)構(gòu)部分要求學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力，靠借助通常的教學(xué)手法很難給出直觀的晶體結(jié)構(gòu)圖，而使用晶體建模軟件卻能克服這一困難，本文主要介紹VESTA軟件在該部分教學(xué)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】固體物理 晶體結(jié)構(gòu) 教學(xué)手法 軟件模擬

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）10-0157-02

固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，固體的宏觀物理性質(zhì)，構(gòu)成固體的微粒的各種運(yùn)動(dòng)以及它們之間的相互關(guān)系的一門學(xué)科，涉及到晶體學(xué)，力學(xué)，熱學(xué)，電磁學(xué)，光學(xué)等諸多物理學(xué)科的知識(shí)，它是材料、半導(dǎo)體、微電子等學(xué)科和技術(shù)的基礎(chǔ)。不同的固體內(nèi)部有著不同的微觀結(jié)構(gòu)，通常從結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的晶體開始研究，對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究可以為以后進(jìn)一步研究復(fù)雜固體物質(zhì)的性質(zhì)奠定基礎(chǔ)。由于晶體內(nèi)部微粒的排布形式很多，導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)種類也很多，通常的幾何作圖法只能展示最簡(jiǎn)單的幾類晶體結(jié)構(gòu)，這就需要我們借助其它手段來展示晶體的微觀結(jié)構(gòu)。

隨著材料模擬軟件的誕生，我們可以利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的建模和研究。這類模擬軟件可以以球棒等模型來形象、直觀的展示不同晶體內(nèi)部微粒排布情況，這為固體物理教學(xué)帶來了極大的便利，使枯燥抽象的平面教學(xué)成為生動(dòng)形象的立體教學(xué)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深其對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的理解和掌握。VESTA是這類軟件中優(yōu)秀的一款，該軟件可直接安裝在WINDOW系統(tǒng)中，使用該軟件無需編程，它可演示不同晶體的三維立體結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)，并具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)。下面我們以空間群為F-43M的立方BN晶體為例，來說明如何使用VESTA進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)。

建立晶體結(jié)構(gòu)：打開軟件主界面，點(diǎn)擊File下拉菜單后單擊New structure項(xiàng)，彈出New Data窗口，單擊Unit cell菜單，在Space group中輸入空間群號(hào)216后敲回車鍵，然后在Lattice Parameters復(fù)選框下輸入晶格常數(shù)參數(shù)3.58 ?，后點(diǎn)擊Structure Parameters窗口下的New按鈕，再單擊Symbol按鈕可彈出元素周期表，在元素周期表中單擊B元素按鈕，B元素即被選中同時(shí)彈出的周期表窗口自動(dòng)關(guān)閉，再在Label框中輸入元素符號(hào)B，接著在下面的三個(gè)與坐標(biāo)有關(guān)的數(shù)據(jù)框中分別輸入B元素的原子占位坐標(biāo)（0 0 0），再次單擊New按鈕，按同樣的方法選取N元素并分別輸入它的原子占位坐標(biāo)（0.25 0.25 0.25），即可在主窗口生成立方BN的晶體結(jié)構(gòu)圖。把光標(biāo)移到主窗口的晶體結(jié)構(gòu)圖上，按下鼠標(biāo)左鍵即可隨意轉(zhuǎn)動(dòng)BN晶體的三維晶體圖，以便從不同方向進(jìn)行查看比較。

晶體結(jié)構(gòu)信息：晶體結(jié)構(gòu)生成后，在該主窗口下面Output框內(nèi)會(huì)顯示晶體的空間群號(hào)，晶格的長(zhǎng)度、夾角、體積、等價(jià)原子的坐標(biāo)等所有與晶格常數(shù)相關(guān)的信息。在該窗口左側(cè)的Style選項(xiàng)卡下可選擇球棒模型，空間堆積模型，多面體模型，流水線模型和棒狀模型來顯示晶體中的原子和化學(xué)鍵。在主窗口的最左側(cè)點(diǎn)擊測(cè)量鍵長(zhǎng)、鍵角、原子扭角、晶面二面角的工具按鈕，然后在主窗口分別選取所要測(cè)量的鍵長(zhǎng)、鍵角等相關(guān)的原子，即可在Output信息框中顯示出相關(guān)原子的具體坐標(biāo)、對(duì)稱性操作以及相關(guān)的測(cè)量值。如果想知道晶體原子具體的對(duì)稱性，可單擊主窗口左上角的Utilities下拉框，單擊Equivalent Positions，即可彈出顯示晶體中的同類原子之間的坐標(biāo)關(guān)系及其對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性操作矩陣。

顯示原子振動(dòng)位移和磁矩：在主窗口顯示晶體結(jié)構(gòu)圖時(shí)，單擊主窗口左上面的Edit下拉框，點(diǎn)擊Vectors選項(xiàng)后程序彈出Vectors窗口，在Filter下拉框中選By Site則在其右邊的框內(nèi)自動(dòng)出現(xiàn)該晶體的第一個(gè)構(gòu)成元素B，并在該窗口下顯示B元素的所有坐標(biāo)。單擊某一B原子坐標(biāo)所在行后，右邊Vectors框內(nèi)New按鈕由灰變黑，單擊該按鈕可彈出另一個(gè)Create a New Vector窗口，在下面三個(gè)坐標(biāo)參數(shù)窗口依次輸入該元素的振動(dòng)位移或者磁矩矢量的對(duì)應(yīng)的三個(gè)分量，單擊OK后回到Vectors窗口，單擊Set按鈕，即可在晶體結(jié)構(gòu)中該原子上添加上矢量箭頭，依次操作即可完成對(duì)B原子的添加。在By Site框后的下拉框中選中N元素，按上面同樣的流程操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)N原子的振動(dòng)位移的添加。

體積量的三維展示：在主窗口打開晶體結(jié)構(gòu)文件，然后點(diǎn)擊主窗口的Utilities下拉框，單擊Model Electron Densities，程序即開始計(jì)算晶體的電子密度分布，計(jì)算結(jié)束后點(diǎn)擊Utilities下拉框中的Patterson Densities，選取From Model Electron Densities后，電子密度分布會(huì)自動(dòng)添加到晶體結(jié)構(gòu)圖中。若要顯示與電子密度分布有關(guān)的不同密度分布則需選取Utilities下拉框中的Conversion of Electron Densities，然后在彈出的窗口中勾選所需的如拉普拉斯電子密度、電子動(dòng)能勢(shì)能密度、電子能量密度或自然對(duì)數(shù)密度，則可在主窗口生成對(duì)應(yīng)的三維密度分布圖，進(jìn)而研究晶體中電子密度分布特點(diǎn)和成鍵性質(zhì)。

總之，VESTA是一款非常優(yōu)秀的晶體學(xué)軟件，在固體物理教學(xué)中引入VESTA晶體建模軟件會(huì)使抽象、枯燥的傳統(tǒng)式板書教學(xué)變得生動(dòng)活潑、形象直觀。通過對(duì)這種簡(jiǎn)單的、可視化的建模軟件的操作，無疑會(huì)激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，加深其對(duì)晶體學(xué)概念和知識(shí)的掌握，為隨后對(duì)晶體性質(zhì)的研究奠定良好的基礎(chǔ)。因此我們提倡把這類軟件引入實(shí)際教學(xué)中，讓其對(duì)固體物理學(xué)教學(xué)發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

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