Materials Studio軟件輔助晶體結構教學

付志粉

（安徽理工大學理學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

晶體的結構及其規(guī)律性是固體物理課程的重要組成部分，同時也是材料科學與基礎、固體電子學等課程的重要基礎內容[1-4]。其所涉及的晶體結構復雜，概念、原理抽象，學生普遍反映難學、教師感覺難教。鑒于晶體結構的教學對于后續(xù)課程內容的基礎地位，如何激發(fā)學生學習這部分內容的興趣進而提高教學效果，教師教學觀念的轉變、教學方法的改進以及先進教學手段的引入就顯得尤為重要。Materials Studio是一款功能強大，操作簡便且可在一般PC機上運行的分子模擬軟件[5]。該軟件不僅能方便地建立各種晶體的三維結構模型，還能計算和模擬晶體的X射線、中子及電子等粉末衍射圖譜，進而確定晶體的結構[6-7]。本文選取晶體結構教學中晶體的結構及其對稱性、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、概念及原理進行了可視化及具體的計算分析，以期為提高晶體結構的教學效果提供參考。

1 Materials Studio(MS)軟件應用

1.1 直觀顯示晶體結構，加深對晶體對稱性的認識

圖1 YBa2Cu3O7晶體的結構

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

1.2 晶胞、原胞的區(qū)別

晶胞與原胞是晶體學中兩個重要且易混淆的概念。在教學中一般告訴學生原胞是晶體中最小的周期性重復單元，而晶胞是晶體最小周期性重復單元的幾倍。多數(shù)教材此處是以簡立方、體心立方、面心立方結構為例向學生說明原胞、晶胞的區(qū)別[1-3]。有了MS軟件以后，可以擴充到其它結構的晶體。以圖2給出的Si的晶體結構為例來說明原胞與晶胞的區(qū)別。從MS軟件點擊菜單命令File→Import→Structure→Semiconductor→Si，導入的結構即為Si的晶胞結構（也叫慣用原胞，單胞），接著點擊菜單Build→Symmetry→Primitive Cell，即可得到該晶體的原胞，點擊菜單Build→Symmetry→Conventional Cell，可在Si晶體的晶胞和原胞間進行轉換。引導學生得出以下結論：晶胞所在重復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的晶體結構

1.3 晶面、晶向概念的引入

以Cu晶體結構為例，在一個新的3D文檔中導入金屬Cu的晶體結構，建立Cu晶體的超胞結構，顯示該晶體在不同平面上及不同方向上原子的排列情況，使學生首先對晶體的周期性結構有一個直觀的認識，接著向學生演示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成，由此引出晶面及晶向的定義。經過作者近幾年的課堂教學效果表明這種引入晶面、晶向的做法，教師容易講解清楚，學生也更容易接受。

1.4 幫助理解晶體X射線衍射原理

教學中在講授完晶體X射線衍射的基本原理后，利用MS軟件自帶的Reflex模塊計算已知晶體的X射線衍射譜并進行結構分析，以加深學生對X射線衍射原理及晶體結構的認識。具體操作步驟如下：（1）導入要計算衍射譜的晶體結構點擊File→Import→Structure； （2） 點 擊 Modules→Reflex→Power Diffraction→Calculate即可得到所導入晶體的X射線衍射圖譜。為了增強教學效果，教師可布置課后作業(yè)，讓學生課后親自參與計算不同種類晶體的X射線衍射譜，并與文獻資料中的實驗數(shù)據(jù)對照進行結構分析。圖3利用MS軟件計算的BaTiO3晶體的X射線衍射圖譜。

圖3 利用MS軟件計算的BaTiO3晶體的X射線衍射圖譜

2 結束語

在晶體結構教學過程中使用Materials Studio分子模擬軟件，使原本復雜的晶體結構，抽象的概念及原理變得直觀且易于理解，這種借助計算軟件輔助理論教學的方式不僅節(jié)約了課堂時間，豐富了教學內容，更重要的是激發(fā)了學生對教學內容的興趣，增強了其求知欲和創(chuàng)新精神。隨著科學技術的發(fā)展，新材料、新結構不斷出現(xiàn)，分子模擬軟件也在更新?lián)Q代，借助計算軟件輔助晶體結構教學還有許多可探索的空間，有必要不斷優(yōu)化晶體結構的教學資源，以進一步提高教學質量。

［1］王矜奉.固體物理教程[M].濟南：山東大學出版社,2010.

［2］余永寧.材料科學基礎[M].北京：高等教育出版社,2012.

［3］沈為民.固體電子學導論[M].北京：清華大學出版社,2012.

［4］韋丹.固體物理[M].北京：清華大學出版社,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)課程中的應用[J].產業(yè)與科技論壇,2012,11(20)：76-77.

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