VESTA在固體物理教學(xué)的應(yīng)用論文VIP

1、VESTA在固體物理教學(xué)的應(yīng)用論文 固體物理學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支。固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、宏觀物理性質(zhì)，以及構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是研究?jī)?nèi)容極其豐富、應(yīng)用極其廣泛的分支學(xué)科，是微電子、光電子和材料科學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)。固體物理是應(yīng)用已知的物理學(xué)原理去解釋人們所面臨的復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題。但是與邏輯清晰的四大力學(xué)相比，固體物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)相對(duì)零散，課程內(nèi)容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固體物理學(xué)的學(xué)習(xí)常常使學(xué)生不得要領(lǐng)，不容易理解，學(xué)習(xí)具有一定難度。尤其是講授晶體的微觀結(jié)構(gòu)和空間排列，需要一定的空間想象力。因此，本文以固體物理學(xué)中7大晶系中立方晶

2、系為例，利用VESTA可視化軟件搭建簡(jiǎn)單立方、體心立方和面心立方晶格的原胞、單胞和超胞。同時(shí)，利用直觀形象的微觀結(jié)構(gòu)，講述原胞、單胞和超胞的區(qū)別于聯(lián)系，進(jìn)而展示VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。 固體物理學(xué);課堂教學(xué);應(yīng)用 固體物理學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支。相對(duì)于傳統(tǒng)物理學(xué)，固體物理學(xué)是一門(mén)相對(duì)年輕的學(xué)科。固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、宏觀物理性質(zhì)以及構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是研究?jī)?nèi)容極其豐富、應(yīng)用極其廣泛的分支學(xué)科，是微電子、光電子和材料科學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)。固體物理是應(yīng)用已知的物理學(xué)原理去解釋人們所面臨的復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題。但是與學(xué)生剛剛學(xué)過(guò)的理邏輯

3、清晰的四大力學(xué)相比，固體物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)相對(duì)零散，課程內(nèi)容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固體物理學(xué)的學(xué)習(xí)常常讓學(xué)生不得要領(lǐng)，不容易理解，學(xué)習(xí)具有一定難度。尤其是講授晶體的微觀結(jié)構(gòu)和空間排列，需要一定的空間想象力。因此，在教學(xué)過(guò)程中如何能生動(dòng)形象地向?qū)W生講授晶體的微觀結(jié)構(gòu)遇到了巨大的困難和挑戰(zhàn)?？梢暬浖谡n堂教學(xué)中的引入不僅可以變抽象為形象，給學(xué)生以感官刺激，還可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理尤其是晶體的微觀結(jié)構(gòu)和空間排列的興趣，有利于學(xué)生對(duì)固體物理學(xué)基本概念和物理規(guī)律的理解和鞏固?？梢暬浖梢灾庇^地展示組成晶體的微觀粒子在空間的排列方式和特征，讓學(xué)生更好地理解與14個(gè)布拉伐格子和7大晶系相

4、關(guān)的知識(shí)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能得到了飛速的提高，人們對(duì)物理理論的認(rèn)識(shí)更加深入，利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)晶體材料進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代材料科學(xué)研究不可缺少的研究手段。隨之發(fā)展起來(lái)的可視化建模軟件也得到了空前的發(fā)展，如MaterialsStudio，VESTA（VisualizationforElectronicandSTructuralAnalysis）等。相對(duì)于MaterialsStudio而言，VESTA是不需要安裝的、功能強(qiáng)大的晶體建模顯示工具，包括MaterialsStudio的可視化模塊，而且比MaterialsStudio顯示晶體結(jié)構(gòu)更好看。本文將以

5、固體物理學(xué)中7大晶系中立方晶系為例，利用VESTA可視化軟件搭建簡(jiǎn)單立方、體心立方和面心立方晶格的原胞、單胞和超胞。同時(shí)利用直觀形象的微觀結(jié)構(gòu)，講述原胞、單胞和超胞的區(qū)別于聯(lián)系，進(jìn)而展示VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)中的.應(yīng)用。 Po的晶格類(lèi)型是簡(jiǎn)單立方晶格，其晶格常數(shù)為3.4。簡(jiǎn)單立方晶格中Po原子占據(jù)立方體的八個(gè)頂角位置，因此知道了Po的空間群，對(duì)稱(chēng)性或原子的Wyckoff坐標(biāo)之后，就可以用VESTA搭建Po晶體。具體步驟如下： （1）FileNewStructureUnitcellSpacegroup處輸入空間群的編號(hào)195，屬于正交晶系，Setting處可以對(duì)該空間群編號(hào)下的不同表述方式進(jìn)

6、行調(diào)整，金屬Po為1，顯示為Pnma。 （2）然后點(diǎn)擊VESTA工具欄中structureparameters處，點(diǎn)擊New，然后在Symbol處選擇Po元素，然后將金屬Po的空間位置x、y和z填上，輸入完畢，再點(diǎn)擊New，輸入其他原子坐標(biāo)，直到八個(gè)金屬Po原子的坐標(biāo)全部完成。 （3）完成之后，主顯示框顯示Po金屬晶體結(jié)構(gòu)圖。最后根據(jù)自己喜好選擇Po金屬結(jié)構(gòu)顯示類(lèi)型，可以是鍵線式，八面體或四面體等。這樣搭建的結(jié)構(gòu)既是金屬Po的原胞，即體積最小的周期性結(jié)構(gòu)單元。又是金屬Po的單胞，即不是體積最小的，但是對(duì)稱(chēng)性較高的周期性結(jié)構(gòu)單元。完成上述步驟后，點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Po

7、晶體以cif格式導(dǎo)出。同樣也可以利用VESTA顯示金屬Po超胞形式。點(diǎn)擊VESTA左側(cè)工具欄中boundaryRangesoffractionalcoordinatesx、y、z，分別設(shè)置在主軸方向上的周期結(jié)構(gòu)單元的個(gè)數(shù)，最后主顯示框顯示出金屬Po的超胞結(jié)構(gòu)。然后點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Po晶體超胞以cif格式導(dǎo)出。根據(jù)搭建的金屬Po的原胞、單胞和超胞對(duì)比比較講解簡(jiǎn)單立方晶格的特征和原胞、單胞、超胞的區(qū)別于聯(lián)系。 堿金屬的晶格類(lèi)型是體心立方晶格，以金屬Li為例，其晶格常數(shù)為3.5092。體心立方晶格中Li原子不僅占據(jù)立方體的八個(gè)頂角位置，同時(shí)還占據(jù)立方體的體心。因此知道了

8、Li的空間群，對(duì)稱(chēng)性或原子的Wyckoff坐標(biāo)之后，就可以用VESTA搭建Li晶體。具體步驟如下： 1.FileNewStructurelatticeparameter處輸入晶體的晶格常數(shù)3.5092以及晶格基矢夾角90，屬于正交晶系。 2.點(diǎn)擊VESTA工具欄中structureparameters處，點(diǎn)擊New，然后在Symbol處選擇Li元素，然后將金屬Li的空間位置（0.000，0.000，0.000）填上，輸入完畢后，將第二個(gè)Li的空間位置（0.500，0.500，0.500）填上，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性限制，我們就可以得到體心立方晶格Li的單胞。 3.完成之后，主顯示框顯示Po金屬晶體結(jié)構(gòu)圖。

9、最后根據(jù)自己喜好選擇Li金屬結(jié)構(gòu)顯示類(lèi)型，可以是鍵線式，八面體或四面體等。這樣搭建的結(jié)構(gòu)僅是金屬Li的單胞，但不是金屬Li的單胞，也就是說(shuō)它不是體積最小的周期性結(jié)構(gòu)單元。完成上述步驟后，點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Li晶體以cif格式導(dǎo)出。同樣也可以利用VESTA顯示金屬Li超胞形式。點(diǎn)擊VESTA左側(cè)工具欄中boundaryRangesoffractionalcoordinatesx、y、z，分別設(shè)置在主軸方向上的周期結(jié)構(gòu)單元的個(gè)數(shù)，最后主顯示框顯示出金屬Li的超胞結(jié)構(gòu)，然后點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Li晶體超胞以cif格式導(dǎo)出。再回過(guò)頭來(lái)搭建金屬Li晶

10、體的原胞，用VESTA打開(kāi)剛剛建立的超胞結(jié)構(gòu)搭建原胞。體心立方的原胞結(jié)構(gòu)可以看成是以體心原子為頂點(diǎn)，連接三個(gè)不相鄰的頂角的射線，與以體心原子為主軸的三個(gè)相鄰單胞中的體心連接的射線組成的對(duì)稱(chēng)性稍差的平行六面體結(jié)構(gòu)。然后點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Li晶體超胞以cif格式導(dǎo)出。根據(jù)搭建的金屬Li的原胞、單胞和超胞對(duì)比比較講解體心立方晶格的特征和原胞、單胞、超胞的區(qū)別于聯(lián)系，注意與簡(jiǎn)單立方晶格作對(duì)比。 金屬Pb的晶格類(lèi)型是典型的面心立方晶格，其晶格常數(shù)為4.95。面心立方晶格中Pb原子不僅占據(jù)立方體的八個(gè)頂角位置，同時(shí)還占據(jù)立方體的六個(gè)面心。因此知道了Pb的空間群，對(duì)稱(chēng)性或原子的W

11、yckoff坐標(biāo)之后，就可以用VESTA搭建Pb晶體。具體步驟如下：1.FileNewStructurelatticeparameter處輸入晶體的晶格常數(shù)4.95以及晶格基矢夾角90，屬于正交晶系。 2.點(diǎn)擊VESTA工具欄中structureparameters處，點(diǎn)擊New，然后在Symbol處選擇Pb元素，然后將四個(gè)金屬Pb的空間位置填上，分別為（0.000，0.000，0.000）、（0.500，0.500，0.000）、（0.000，0.500，0.500）、（0.500，0.000，0.500）。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性限制，我們就可以得到面心立方晶格Pb的單胞。 3.完成之后，主顯示框顯示金

12、屬Pb晶體結(jié)構(gòu)圖。與金屬Li晶體類(lèi)似，這樣搭建的結(jié)構(gòu)僅是金屬Pb的單胞，它不是體積最小的周期性結(jié)構(gòu)單元。完成上述步驟后，點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Pb晶體以cif格式導(dǎo)出。金屬Pb的超胞的搭建與金屬Li超胞的搭建類(lèi)似，點(diǎn)擊VESTA左側(cè)工具欄中boundaryRangesoffractionalcoordinatesx、y、z，分別設(shè)置在主軸方向上的周期結(jié)構(gòu)單元的個(gè)數(shù)，最后主顯示框顯示出金屬Pb的超胞結(jié)構(gòu)，然后點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Pb晶體超胞以cif格式導(dǎo)出。用VESTA打開(kāi)剛剛建立的金屬Pb的超胞結(jié)構(gòu)，以頂點(diǎn)原子為中心點(diǎn)，連接三個(gè)相鄰面心的射線，與體對(duì)角線上另一側(cè)頂點(diǎn)為中心點(diǎn)的三個(gè)相鄰單胞中的面心連接的射線組成的對(duì)稱(chēng)性稍差的平行六面體結(jié)構(gòu)。然后點(diǎn)擊FileExportdata，把搭建的金屬Pb晶體超胞以cif格式導(dǎo)出。根據(jù)搭建的金屬Pb的原胞、單胞和超胞對(duì)比比較講解面心立方晶格的特征和原胞、單胞、超胞的區(qū)別于聯(lián)系，注意與簡(jiǎn)單立方晶格作對(duì)比。 總的來(lái)說(shuō)，VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)過(guò)程中對(duì)于具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體的直觀形象展示，既提高了教學(xué)內(nèi)容的表