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VESTA在固體物理教學的應用論文
摘要：固體物理學是物理學的一個分支。固體物理學是研究固體物質微觀結構、宏觀物理性質，以及構成物質的各種粒子的運動形態、微觀結構和宏觀性質之間相互關系的科學。它是研究內容極其豐富、應用極其廣泛的分支學科，是微電子、光電子和材料科學等學科的基礎。固體物理是應用已知的物理學原理去解釋人們所面臨的復雜的實際問題。但是與邏輯清晰的四大力學相比，固體物理學知識點相對零散，課程內容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固體物理學的學習常常使學生不得要領，不容易理解，學習具有一定難度。尤其是講授晶體的微觀結構和空間排列，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構，講述原胞、單胞和超胞的區別于聯系，進而展示VESTA在固體物理學教學中的應用。
關鍵詞：固體物理學;課堂教學;應用
固體物理學是物理學的一個分支。相對于傳統物理學，固體物理學是一門相對年輕的學科。固體物理學是研究固體物質微觀結構、宏觀物理性質以及構成物質的各種粒子的運動形態、微觀結構和宏觀性質之間相互關系的科學。它是研究內容極其豐富、應用極其廣泛的分支學科，是微電子、光電子和材料科學等學科的基礎。固體物理是應用已知的物理學原理去解釋人們所面臨的復雜的實際問題。但是與學生剛剛學過的理邏輯清晰的四大力學相比，固體物理學知識點相對零散，課程內容涉及的概念多、模型多、原理多。因此，固體物理學的學習常常讓學生不得要領，不容易理解，學習具有一定難度。尤其是講授晶體的微觀結構和空間排列，需要一定的空間想象力。因此，在教學過程中如何能生動形象地向學生講授晶體的微觀結構遇到了巨大的困難和挑戰。可視化軟件在課堂教學中的引入不僅可以變抽象為形象，給學生以感官刺激，還可以極大地激發學生學習固體物理尤其是晶體的微觀結構和空間排列的興趣，有利于學生對固體物理學基本概念和物理規律的理解和鞏固。可視化軟件可以直觀地展示組成晶體的微觀粒子在空間的排列方式和特征，讓學生更好地理解與14個布拉伐格子和7大晶系相關的知識，從而提高學生的學習效率。隨著計算機和計算機技術的發展，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計已經成為現代材料科學研究不可缺少的研究手段。隨之發展起來的可視化建模軟件也得到了空前的發展，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構，講述原胞、單胞和超胞的區別于聯系，進而展示VESTA在固體物理學教學中的應用。
一、簡單立方晶格金屬
Po的晶格類型是簡單立方晶格，其晶格常數為3.4。簡單立方晶格中Po原子占據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金屬晶體結構圖。最后根據自己喜好選擇Po金屬結構顯示類型，可以是鍵線式，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，但是對稱性較高的周期性結構單元。完成上述步驟后，點擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Po晶體以cif格式導出。同樣也可以利用VESTA顯示金屬Po超胞形式。點擊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數，最后主顯示框顯示出金屬Po的超胞結構。然后點擊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單立方晶格的特征和原胞、單胞、超胞的區別于聯系。
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，其晶格常數為3.5092。體心立方晶格中Li原子不僅占據立方體的八個頂角位置，同時還占據立方體的體心。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金屬晶體結構圖。最后根據自己喜好選擇Li金屬結構顯示類型，可以是鍵線式，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，也就是說它不是體積最小的周期性結構單元。完成上述步驟后，點擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Li晶體以cif格式導出。同樣也可以利用VESTA顯示金屬Li超胞形式。點擊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數，最后主顯示框顯示出金屬Li的超胞結構，然后點擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Li晶體超胞以cif格式導出。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，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構。然后點擊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，其晶格常數為4.95。面心立方晶格中Pb原子不僅占據立方體的八個頂角位置，同時還占據立方體的六個面心。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晶體結構圖。與金屬Li晶體類似，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超胞的搭建類似，點擊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數，最后主顯示框顯示出金屬Pb的超胞結構，然后點擊File◇Exportdata，把搭建的金屬Pb晶體超胞以cif格式導出。用VESTA打開剛剛建立的金屬Pb的超胞結構，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構。然后點擊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、超胞的區別于聯系，注意與簡單立方晶格作對比。
總的來說，VESTA在固體物理學教學過程中對于具有周期性結構的晶體的直觀形象展示，既提高了教學內容的表現力又可以改變教學形式。豐富的表現力可以實現教學的生動性，強大的交互性可以實現學習的自由性，教學的開放性可以實現課后自主探索學習。實踐表明，這種借助可視化軟件的展示晶體微觀結構的教學方法取得了非常好的教學效果。學生的學習興趣和熱情提高了，課后還可以利用VESTA自主學習和練習，加深了學生對基礎知識的理解，提高了學生的實踐能力。
參考文獻：
黃昆.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988
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