Materials Studio軟件輔助晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)

付志粉

（安徽理工大學(xué)理學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

晶體的結(jié)構(gòu)及其規(guī)律性是固體物理課程的重要組成部分，同時也是材料科學(xué)與基礎(chǔ)、固體電子學(xué)等課程的重要基礎(chǔ)內(nèi)容[1-4]。其所涉及的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，概念、原理抽象，學(xué)生普遍反映難學(xué)、教師感覺難教。鑒于晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)對于后續(xù)課程內(nèi)容的基礎(chǔ)地位，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的興趣進(jìn)而提高教學(xué)效果，教師教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變、教學(xué)方法的改進(jìn)以及先進(jìn)教學(xué)手段的引入就顯得尤為重要。Materials Studio是一款功能強(qiáng)大，操作簡便且可在一般PC機(jī)上運(yùn)行的分子模擬軟件[5]。該軟件不僅能方便地建立各種晶體的三維結(jié)構(gòu)模型，還能計(jì)算和模擬晶體的X射線、中子及電子等粉末衍射圖譜，進(jìn)而確定晶體的結(jié)構(gòu)[6-7]。本文選取晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中晶體的結(jié)構(gòu)及其對稱性、晶胞/原胞、晶面/晶向、X射線衍射等概念及原理，使用Materials Studio分子模擬軟件對這些知識點(diǎn)、概念及原理進(jìn)行了可視化及具體的計(jì)算分析，以期為提高晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)效果提供參考。

1 Materials Studio(MS)軟件應(yīng)用

1.1 直觀顯示晶體結(jié)構(gòu)，加深對晶體對稱性的認(rèn)識

圖1 YBa2Cu3O7晶體的結(jié)構(gòu)

從MS軟件菜單命令File→Import→Structure中導(dǎo)入不同的晶體結(jié)構(gòu)，圖1給出了超導(dǎo)體YBa2Cu3O7的晶體結(jié)構(gòu)，向?qū)W生直觀、生動形象地展示了YBa2Cu3O7晶體的3D結(jié)構(gòu)，以開闊學(xué)生的視野；通過旋轉(zhuǎn)、移動、縮放所建晶體結(jié)構(gòu)，使學(xué)生從不同角度觀察認(rèn)識所建的晶體結(jié)構(gòu)及其對稱性；再從菜單命令Build→Show Symmetry→Symmetry Group,向?qū)W生講解菜單對話框中各種符號的含義，加深學(xué)生對晶體對稱性的認(rèn)識。

1.2 晶胞、原胞的區(qū)別

晶胞與原胞是晶體學(xué)中兩個重要且易混淆的概念。在教學(xué)中一般告訴學(xué)生原胞是晶體中最小的周期性重復(fù)單元，而晶胞是晶體最小周期性重復(fù)單元的幾倍。多數(shù)教材此處是以簡立方、體心立方、面心立方結(jié)構(gòu)為例向?qū)W生說明原胞、晶胞的區(qū)別[1-3]。有了MS軟件以后，可以擴(kuò)充到其它結(jié)構(gòu)的晶體。以圖2給出的Si的晶體結(jié)構(gòu)為例來說明原胞與晶胞的區(qū)別。從MS軟件點(diǎn)擊菜單命令File→Import→Structure→Semiconductor→Si，導(dǎo)入的結(jié)構(gòu)即為Si的晶胞結(jié)構(gòu)（也叫慣用原胞，單胞），接著點(diǎn)擊菜單Build→Symmetry→Primitive Cell，即可得到該晶體的原胞，點(diǎn)擊菜單Build→Symmetry→Conventional Cell，可在Si晶體的晶胞和原胞間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。引導(dǎo)學(xué)生得出以下結(jié)論：晶胞所在重復(fù)單元體積大于原胞所在單元的體積；一個晶胞中可包含多個原子（一個Si晶胞中包含8個原子），而一個原胞中一般僅含一個原子；晶胞的對稱性程度高于原胞的。

圖2 Si的晶體結(jié)構(gòu)

1.3 晶面、晶向概念的引入

以Cu晶體結(jié)構(gòu)為例，在一個新的3D文檔中導(dǎo)入金屬Cu的晶體結(jié)構(gòu)，建立Cu晶體的超胞結(jié)構(gòu)，顯示該晶體在不同平面上及不同方向上原子的排列情況，使學(xué)生首先對晶體的周期性結(jié)構(gòu)有一個直觀的認(rèn)識，接著向?qū)W生演示Cu晶體可看成是由一系列分布在(100)、(110)或(111)等相互平行等距的晶面上的原子構(gòu)成，或看成是由一系列分布在[100]、[110]或[111]等相互平行等距的直線系上的原子構(gòu)成，由此引出晶面及晶向的定義。經(jīng)過作者近幾年的課堂教學(xué)效果表明這種引入晶面、晶向的做法，教師容易講解清楚，學(xué)生也更容易接受。

1.4 幫助理解晶體X射線衍射原理

教學(xué)中在講授完晶體X射線衍射的基本原理后，利用MS軟件自帶的Reflex模塊計(jì)算已知晶體的X射線衍射譜并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以加深學(xué)生對X射線衍射原理及晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。具體操作步驟如下：（1）導(dǎo)入要計(jì)算衍射譜的晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)擊File→Import→Structure； （2） 點(diǎn) 擊 Modules→Reflex→Power Diffraction→Calculate即可得到所導(dǎo)入晶體的X射線衍射圖譜。為了增強(qiáng)教學(xué)效果，教師可布置課后作業(yè)，讓學(xué)生課后親自參與計(jì)算不同種類晶體的X射線衍射譜，并與文獻(xiàn)資料中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對照進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。圖3利用MS軟件計(jì)算的BaTiO3晶體的X射線衍射圖譜。

圖3 利用MS軟件計(jì)算的BaTiO3晶體的X射線衍射圖譜

2 結(jié)束語

在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中使用Materials Studio分子模擬軟件，使原本復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，抽象的概念及原理變得直觀且易于理解，這種借助計(jì)算軟件輔助理論教學(xué)的方式不僅節(jié)約了課堂時間，豐富了教學(xué)內(nèi)容，更重要的是激發(fā)了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的興趣，增強(qiáng)了其求知欲和創(chuàng)新精神。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，分子模擬軟件也在更新?lián)Q代，借助計(jì)算軟件輔助晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)還有許多可探索的空間，有必要不斷優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)資源，以進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

［1］王矜奉.固體物理教程[M].濟(jì)南：山東大學(xué)出版社,2010.

［2］余永寧.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2012.

［3］沈?yàn)槊?固體電子學(xué)導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

［4］韋丹.固體物理[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.

［5］A.Altomare,M.C.Burla,M.Camalli,G.L.Cascarano,C.Giacovazzo,Guagliardi A.,Moliterni A.G.G.,Polidori G.,Spagna R..SIR97：a new tool for crystal structure determination and refinement [J].Journal of Applied Crystallography,1999,32(1)：115-119.

［6］陳海平.分子模擬軟件Materials studio在微電子專業(yè)課程中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2012,11(20)：76-77.

［7］杜永勝.Materials studio在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].技術(shù)物理教學(xué),2009,3(17)：45-46.