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VESTA在固體物理教學(xué)的應(yīng)用論文
摘要：固體物理學(xué)是物理學(xué)的一個分支。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)的各種粒子的運動形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是研究內(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)雜的實際問題。但是與邏輯清晰的四大力學(xué)相比，固體物理學(xué)知識點相對零散，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大晶系中立方晶系為例，利用VESTA可視化軟件搭建簡單立方、體心立方和面心立方晶格的原胞、單胞和超胞。同時，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，進而展示VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：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)的一個分支。相對于傳統(tǒng)物理學(xué)，固體物理學(xué)是一門相對年輕的學(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)的各種粒子的運動形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是研究內(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)雜的實際問題。但是與學(xué)生剛剛學(xué)過的理邏輯清晰的四大力學(xué)相比，固體物理學(xué)知識點相對零散，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)過程中如何能生動形象地向?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個布拉伐格子和7大晶系相關(guān)的知識，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。隨著計算機和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機性能得到了飛速的提高，人們對物理理論的認識更加深入，利用計算機模擬對晶體材料進行設(shè)計已經(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。相對于MaterialsStudio而言，VESTA是不需要安裝的、功能強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可視化軟件搭建簡單立方、體心立方和面心立方晶格的原胞、單胞和超胞。同時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，進而展示VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。
一、簡單立方晶格金屬
Po的晶格類型是簡單立方晶格，其晶格常數(shù)為3.4。簡單立方晶格中Po原子占據(jù)立方體的八個頂角位置，因此知道了Po的空間群，對稱性或原子的Wyckoff坐標之后，就可以用VESTA搭建Po晶體。具體步驟如下：
（1）File◇NewStructure◇Unitcell◇Spacegroup處輸入空間群的編號195，屬于正交晶系，Setting處可以對該空間群編號下的不同表述方式進行調(diào)整，金屬Po為1，顯示為Pnma。
�。�2）然后點擊VESTA工具欄中structureparameters處，點擊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，再點擊New，輸入其他原子坐標，直到八個金屬Po原子的坐標全部完成。
（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，但是對稱性較高的周期性結(jié)構(gòu)單元。完成上述步驟后，點擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Po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。點擊VESTA左側(cè)工具欄中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分別設(shè)置在主軸方向上的周期結(jié)構(gòu)單元的個數(shù)，最后主顯示框顯示出金屬Po的超胞結(jié)構(gòu)。然后點擊File◇Exportdata，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、單胞和超胞對比比較講解簡單立方晶格的特征和原胞、單胞、超胞的區(qū)別于聯(lián)系。
二、體心立方晶格
堿金屬的晶格類型是體心立方晶格，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)立方體的八個頂角位置，同時還占據(jù)立方體的體心。因此知道了Li的空間群，對稱性或原子的Wyckoff坐標之后，就可以用VESTA搭建Li晶體。具體步驟如下：
1.File◇NewStructure◇latticeparameter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.點擊VESTA工具欄中structureparameters處，點擊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Li的空間位置（0.500，0.500，0.500）填上，根據(jù)對稱性限制，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。最后根據(jù)自己喜好選擇Li金屬結(jié)構(gòu)顯示類型，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，點擊File◇Exportdata，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。點擊VESTA左側(cè)工具欄中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分別設(shè)置在主軸方向上的周期結(jié)構(gòu)單元的個數(shù)，最后主顯示框顯示出金屬Li的超胞結(jié)構(gòu)，然后點擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Li晶體超胞以cif格式導(dǎo)出。再回過頭來搭建金屬Li晶體的原胞，用VESTA打開剛剛建立的超胞結(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，連接三個不相鄰的頂角的射線，與以體心原子為主軸的三個相鄰單胞中的體心連接的射線組成的對稱性稍差的平行六面體結(jié)構(gòu)。然后點擊File◇Exportdata，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，注意與簡單立方晶格作對比。
三、面心立方晶格
金屬Pb的晶格類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)立方體的八個頂角位置，同時還占據(jù)立方體的六個面心。因此知道了Pb的空間群，對稱性或原子的Wyckoff坐標之后，就可以用VESTA搭建Pb晶體。具體步驟如下：1.File◇NewStructure◇latticeparameter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.點擊VESTA工具欄中structureparameters處，點擊New，然后在Symbol處選擇Pb元素，然后將四個金屬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)對稱性限制，我們就可以得到面心立方晶格Pb的單胞。
3.完成之后，主顯示框顯示金屬Pb晶體結(jié)構(gòu)圖。與金屬Li晶體類似，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，點擊File◇Exportdata，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超胞的搭建類似，點擊VESTA左側(cè)工具欄中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分別設(shè)置在主軸方向上的周期結(jié)構(gòu)單元的個數(shù)，最后主顯示框顯示出金屬Pb的超胞結(jié)構(gòu)，然后點擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Pb晶體超胞以cif格式導(dǎo)出。用VESTA打開剛剛建立的金屬Pb的超胞結(jié)構(gòu)，以頂點原子為中心點，連接三個相鄰面心的射線，與體對角線上另一側(cè)頂點為中心點的三個相鄰單胞中的面心連接的射線組成的對稱性稍差的平行六面體結(jié)構(gòu)。然后點擊File◇Exportdata，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，注意與簡單立方晶格作對比。
總的來說，VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)過程中對于具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體的直觀形象展示，既提高了教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)力又可以改變教學(xué)形式。豐富的表現(xiàn)力可以實現(xiàn)教學(xué)的生動性，強大的交互性可以實現(xiàn)學(xué)習(xí)的自由性，教學(xué)的開放性可以實現(xiàn)課后自主探索學(xué)習(xí)。實踐表明，這種借助可視化軟件的展示晶體微觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)方法取得了非常好的教學(xué)效果。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情提高了，課后還可以利用VESTA自主學(xué)習(xí)和練習(xí)，加深了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，提高了學(xué)生的實踐能力。
參考文獻：
黃昆.固體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1988
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