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VESTA在固體物理教學(xué)的應用論文
摘要：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(guān)結構、宏觀(guān)物理性質(zhì)，以及構成物質(zhì)的各種粒子的運動(dòng)形態(tài)、微觀(guān)結構和宏觀(guān)性質(zhì)之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是研究?jì)热輼O其豐富、應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。固體物理是應用已知的物理學(xué)原理去解釋人們所面臨的復雜的實(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)知識點(diǎn)相對零散，課程內容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固體物理學(xué)的學(xué)習常常使學(xué)生不得要領(lǐng)，不容易理解，學(xué)習具有一定難度。尤其是講授晶體的微觀(guān)結構和空間排列，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(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(guān)形象的微觀(guān)結構，講述原胞、單胞和超胞的區別于聯(lián)系，進(jìn)而展示VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)中的應用。
關(guān)鍵詞：固體物理學(xué);課堂教學(xué);應用
固體物理學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支。相對于傳統物理學(xué)，固體物理學(xué)是一門(mén)相對年輕的學(xué)科。固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)微觀(guān)結構、宏觀(guān)物理性質(zhì)以及構成物質(zhì)的各種粒子的運動(dòng)形態(tài)、微觀(guān)結構和宏觀(guān)性質(zhì)之間相互關(guān)系的科學(xué)。它是研究?jì)热輼O其豐富、應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。固體物理是應用已知的物理學(xué)原理去解釋人們所面臨的復雜的實(shí)際問(wèn)題。但是與學(xué)生剛剛學(xué)過(guò)的理邏輯清晰的四大力學(xué)相比，固體物理學(xué)知識點(diǎn)相對零散，課程內容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固體物理學(xué)的學(xué)習常常讓學(xué)生不得要領(lǐng)，不容易理解，學(xué)習具有一定難度。尤其是講授晶體的微觀(guān)結構和空間排列，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)形象地向學(xué)生講授晶體的微觀(guān)結構遇到了巨大的困難和挑戰�？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)習固體物理尤其是晶體的微觀(guān)結構和空間排列的興趣，有利于學(xué)生對固體物理學(xué)基本概念和物理規律的理解和鞏固�？梢暬浖梢灾庇^(guān)地展示組成晶體的微觀(guān)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大晶系相關(guān)的知識，從而提高學(xué)生的學(xué)習效率。隨著(zhù)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(jìn)行設計已經(jīng)成為現代材料科學(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顯示晶體結構更好看。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(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(guān)形象的微觀(guān)結構，講述原胞、單胞和超胞的區別于聯(lián)系，進(jìn)而展示VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)中的應用。
一、簡(jiǎn)單立方晶格金屬
Po的晶格類(lèi)型是簡(jiǎn)單立方晶格，其晶格常數為3.4。簡(jiǎn)單立方晶格中Po原子占據立方體的八個(gè)頂角位置，因此知道了Po的空間群，對稱(chēng)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(jìn)行調整，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，直到八個(gè)金屬Po原子的坐標全部完成。
�。�3）完成之后，主顯示框顯示Po金屬晶體結構圖。最后根據自己喜好選擇Po金屬結構顯示類(lèi)型，可以是鍵線(xiàn)式，八面體或四面體等。這樣搭建的結構既是金屬Po的原胞，即體積最小的周期性結構單元。又是金屬Po的單胞，即不是體積最小的，但是對稱(chēng)性較高的周期性結構單元。完成上述步驟后，點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Po晶體以cif格式導出。同樣也可以利用VESTA顯示金屬Po超胞形式。點(diǎn)擊VESTA左側工具欄中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分別設置在主軸方向上的周期結構單元的個(gè)數，最后主顯示框顯示出金屬Po的超胞結構。然后點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Po晶體超胞以cif格式導出。根據搭建的金屬Po的原胞、單胞和超胞對比比較講解簡(jiǎn)單立方晶格的特征和原胞、單胞、超胞的區別于聯(lián)系。
二、體心立方晶格
堿金屬的晶格類(lèi)型是體心立方晶格，以金屬Li為例，其晶格常數為3.5092。體心立方晶格中Li原子不僅占據立方體的八個(gè)頂角位置，同時(shí)還占據立方體的體心。因此知道了Li的空間群，對稱(chēng)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，根據對稱(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金屬晶體結構圖。最后根據自己喜好選擇Li金屬結構顯示類(lèi)型，可以是鍵線(xiàn)式，八面體或四面體等。這樣搭建的結構僅是金屬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構單元。完成上述步驟后，點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Li晶體以cif格式導出。同樣也可以利用VESTA顯示金屬Li超胞形式。點(diǎn)擊VESTA左側工具欄中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分別設置在主軸方向上的周期結構單元的個(gè)數，最后主顯示框顯示出金屬Li的超胞結構，然后點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Li晶體超胞以cif格式導出。再回過(guò)頭來(lái)搭建金屬Li晶體的原胞，用VESTA打開(kāi)剛剛建立的超胞結構搭建原胞。體心立方的原胞結構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(xiàn)，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(xiàn)組成的對稱(chēng)性稍差的平行六面體結構。然后點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Li晶體超胞以cif格式導出。根據搭建的金屬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、超胞的區別于聯(lián)系，注意與簡(jiǎn)單立方晶格作對比。
三、面心立方晶格
金屬Pb的晶格類(lèi)型是典型的面心立方晶格，其晶格常數為4.95。面心立方晶格中Pb原子不僅占據立方體的八個(gè)頂角位置，同時(shí)還占據立方體的六個(gè)面心。因此知道了Pb的空間群，對稱(chēng)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）。根據對稱(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，主顯示框顯示金屬Pb晶體結構圖。與金屬Li晶體類(lèi)似，這樣搭建的結構僅是金屬Pb的單胞，它不是體積最小的周期性結構單元。完成上述步驟后，點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Pb晶體以cif格式導出。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左側工具欄中boundary◇Rangesoffractionalcoordinates◇x、y、z，分別設置在主軸方向上的周期結構單元的個(gè)數，最后主顯示框顯示出金屬Pb的超胞結構，然后點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Pb晶體超胞以cif格式導出。用VESTA打開(kāi)剛剛建立的金屬Pb的超胞結構，以頂點(diǎn)原子為中心點(diǎn)，連接三個(gè)相鄰面心的射線(xiàn)，與體對角線(xiàn)上另一側頂點(diǎn)為中心點(diǎn)的三個(gè)相鄰單胞中的面心連接的射線(xiàn)組成的對稱(chēng)性稍差的平行六面體結構。然后點(diǎn)擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Pb晶體超胞以cif格式導出。根據搭建的金屬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、超胞的區別于聯(lián)系，注意與簡(jiǎn)單立方晶格作對比。
總的來(lái)說(shuō)，VESTA在固體物理學(xué)教學(xué)過(guò)程中對于具有周期性結構的晶體的直觀(guān)形象展示，既提高了教學(xué)內容的表現力又可以改變教學(xué)形式。豐富的表現力可以實(shí)現教學(xué)的生動(dòng)性，強大的交互性可以實(shí)現學(xué)習的自由性，教學(xué)的開(kāi)放性可以實(shí)現課后自主探索學(xué)習。實(shí)踐表明，這種借助可視化軟件的展示晶體微觀(guān)結構的教學(xué)方法取得了非常好的教學(xué)效果。學(xué)生的學(xué)習興趣和熱情提高了，課后還可以利用VESTA自主學(xué)習和練習，加深了學(xué)生對基礎知識的理解，提高了學(xué)生的實(shí)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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