VESTA在固体物理教学的应用

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摘要：固体物理学是物理学的一个分支。固体物理学是研究固体物质微观结构、宏观物理性质，以及构成物质的各种粒子的运动形态、微观结构和宏观性质之间相互关系的科学。它是研究内容极其丰富、应用极其广泛的分支学科，是微电子、光电子和材料科学等学科的基础。固体物理是应用已知的物理学原理去解释人们所面临的复杂的实际问题。但是与逻辑清晰的四大力学相比，固体物理学知识点相对零散，课程内容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固体物理学的学习常常使学生不得要领，不容易理解，学习具有一定难度。尤其是讲授晶体的微观结构和空间排列，需要一定的空间想象力。因此，本文以固体物理学中7大晶系中立方晶系为例，利用vesta可视化软件搭建简单立方、体心立方和面心立方晶格的原胞、单胞和超胞。同时，利用直观形象的微观结构，讲述原胞、单胞和超胞的区别于联系，进而展示VESTA在固体物理学教学中的应用。

关键词：固体物理学;课堂教学;应用

固体物理学是物理学的一个分支。相对于传统物理学，固体物理学是一门相对年轻的学科。固体物理学是研究固体物质微观结构、宏观物理性质以及构成物质的各种粒子的运动形态、微观结构和宏观性质之间相互关系的科学。它是研究内容极其丰富、应用极其广泛的分支学科，是微电子、光电子和材料科学等学科的基础。固体物理是应用已知的物理学原理去解释人们所面临的复杂的实际问题。但是与学生刚刚学过的理逻辑清晰的四大力学相比，固体物理学知识点相对零散，课程内容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固体物理学的学习常常让学生不得要领，不容易理解，学习具有一定难度。尤其是讲授晶体的微观结构和空间排列，需要一定的空间想象力。因此，在教学过程中如何能生动形象地向学生讲授晶体的微观结构遇到了巨大的困难和挑战。可视化软件在课堂教学中的引入不仅可以变抽象为形象，给学生以感官刺激，还可以极大地激发学生学习固体物理尤其是晶体的微观结构和空间排列的兴趣，有利于学生对固体物理学基本概念和物理规律的理解和巩固。可视化软件可以直观地展示组成晶体的微观粒子在空间的排列方式和特征，让学生更好地理解与14个布拉伐格子和7大晶系相关的知识，从而提高学生的学习效率。随着计算机和计算机技术的发展，计算机性能得到了飞速的提高，人们对物理理论的认识更加深入，利用计算机模拟对晶体材料进行设计已经成为现代材料科学研究不可缺少的研究手段。随之发展起来的可视化建模软件也得到了空前的发展，如MaterialsStudio，VESTA（VisualizationforElectronicandSTructuralAnalysis）等。相对于MaterialsStudio而言，VESTA是不需要安装的、功能强大的晶体建模显示工具，包括MaterialsStudio的可视化模块，而且比MaterialsStudio显示晶体结构更好看。本文将以固体物理学中7大晶系中立方晶系为例，利用VESTA可视化软件搭建简单立方、体心立方和面心立方晶格的原胞、单胞和超胞。同时利用直观形象的微观结构，讲述原胞、单胞和超胞的区别于联系，进而展示VESTA在固体物理学教学中的应用。

一、简单立方晶格金属

Po的晶格类型是简单立方晶格，其晶格常数为3.4Å。简单立方晶格中Po原子占据立方体的八个顶角位置，因此知道了Po的空间群，对称性或原子的Wyckoff坐标之后，就可以用VESTA搭建Po晶体。具体步骤如下：（1）File◇NewStructure◇Unitcell◇Spacegroup处输入空间群的编号195，属于正交晶系，Setting处可以对该空间群编号下的不同表述方式进行调整，金属Po为1，显示为Pnma。（2）然后点击VESTA工具栏中structureparameters处，点击New，然后在Symbol处选择Po元素，然后将金属Po的空间位置x、y和z填上，输入完毕，再点击New，输入其他原子坐标，直到八个金属Po原子的坐标全部完成。（3）完成之后，主显示框显示Po金属晶体结构图。最后根据自己喜好选择Po金属结构显示类型，可以是键线式，八面体或四面体等。这样搭建的结构既是金属Po的原胞，即体积最小的周期性结构单元。又是金属Po的单胞，即不是体积最小的，但是对称性较高的周期性结构单元。完成上述步骤后，点击File◇Exportdata，把搭建的金属Po晶体以cif格式导出。同样也可以利用VESTA显示金属Po超胞形式。点击VESTA左侧工具栏中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分别设置在主轴方向上的周期结构单元的个数，最后主显示框显示出金属Po的超胞结构。然后点击File◇Exportdata，把搭建的金属Po晶体超胞以cif格式导出。根据搭建的金属Po的原胞、单胞和超胞对比比较讲解简单立方晶格的特征和原胞、单胞、超胞的区别于联系。

二、体心立方晶格

碱金属的晶格类型是体心立方晶格，以金属Li为例，其晶格常数为3.5092Å。体心立方晶格中Li原子不仅占据立方体的八个顶角位置，同时还占据立方体的体心。因此知道了Li的空间群，对称性或原子的Wyckoff坐标之后，就可以用VESTA搭建Li晶体。具体步骤如下：1.File◇NewStructure◇latticeparameter处输入晶体的晶格常数3.5092Å以及晶格基矢夹角90°，属于正交晶系。2.点击VESTA工具栏中structureparameters处，点击New，然后在Symbol处选择Li元素，然后将金属Li的空间位置（0.000，0.000，0.000）填上，输入完毕后，将第二个Li的空间位置（0.500，0.500，0.500）填上，根据对称性限制，我们就可以得到体心立方晶格Li的单胞。3.完成之后，主显示框显示Po金属晶体结构图。最后根据自己喜好选择Li金属结构显示类型，可以是键线式，八面体或四面体等。这样搭建的结构仅是金属Li的单胞，但不是金属Li的单胞，也就是说它不是体积最小的周期性结构单元。完成上述步骤后，点击File◇Exportdata，把搭建的金属Li晶体以cif格式导出。同样也可以利用VESTA显示金属Li超胞形式。点击VESTA左侧工具栏中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分别设置在主轴方向上的周期结构单元的个数，最后主显示框显示出金属Li的超胞结构，然后点击File◇Exportdata，把搭建的金属Li晶体超胞以cif格式导出。再回过头来搭建金属Li晶体的原胞，用VESTA打开刚刚建立的超胞结构搭建原胞。体心立方的原胞结构可以看成是以体心原子为顶点，连接三个不相邻的顶角的射线，与以体心原子为主轴的三个相邻单胞中的体心连接的射线组成的对称性稍差的平行六面体结构。然后点击File◇Exportdata，把搭建的金属Li晶体超胞以cif格式导出。根据搭建的金属Li的原胞、单胞和超胞对比比较讲解体心立方晶格的特征和原胞、单胞、超胞的区别于联系，注意与简单立方晶格作对比。

三、面心立方晶格

金属Pb的晶格类型是典型的面心立方晶格，其晶格常数为4.95Å。面心立方晶格中Pb原子不仅占据立方体的八个顶角位置，同时还占据立方体的六个面心。因此知道了Pb的空间群，对称性或原子的Wyckoff坐标之后，就可以用VESTA搭建Pb晶体。具体步骤如下：1.File◇NewStructure◇latticeparameter处输入晶体的晶格常数4.95Å以及晶格基矢夹角90°，属于正交晶系。2.点击VESTA工具栏中structureparameters处，点击New，然后在Symbol处选择Pb元素，然后将四个金属Pb的空间位置填上，分别为（0.000，0.000，0.000）、（0.500，0.500，0.000）、（0.000，0.500，0.500）、（0.500，0.000，0.500）。根据对称性限制，我们就可以得到面心立方晶格Pb的单胞。3.完成之后，主显示框显示金属Pb晶体结构图。与金属Li晶体类似，这样搭建的结构仅是金属Pb的单胞，它不是体积最小的周期性结构单元。完成上述步骤后，点击File◇Exportdata，把搭建的金属Pb晶体以cif格式导出。金属Pb的超胞的搭建与金属Li超胞的搭建类似，点击VESTA左侧工具栏中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分别设置在主轴方向上的周期结构单元的个数，最后主显示框显示出金属Pb的超胞结构，然后点击File◇Exportdata，把搭建的金属Pb晶体超胞以cif格式导出。用VESTA打开刚刚建立的金属Pb的超胞结构，以顶点原子为中心点，连接三个相邻面心的射线，与体对角线上另一侧顶点为中心点的三个相邻单胞中的面心连接的射线组成的对称性稍差的平行六面体结构。然后点击File◇Exportdata，把搭建的金属Pb晶体超胞以cif格式导出。根据搭建的金属Pb的原胞、单胞和超胞对比比较讲解面心立方晶格的特征和原胞、单胞、超胞的区别于联系，注意与简单立方晶格作对比。

总的来说，VESTA在固体物理学教学过程中对于具有周期性结构的晶体的直观形象展示，既提高了教学内容的表现力又可以改变教学形式。丰富的表现力可以实现教学的生动性，强大的交互性可以实现学习的自由性，教学的开放性可以实现课后自主探索学习。实践表明，这种借助可视化软件的展示晶体微观结构的教学方法取得了非常好的教学效果。学生的学习兴趣和热情提高了，课后还可以利用VESTA自主学习和练习，加深了学生对基础知识的理解，提高了学生的实践能力。

参考文献：

黄昆.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988

作者:刘晓洁 单位:东北师范大学物理学院