Materials Studio軟件輔助晶體結構教學

付志粉

【摘 要】針對晶體結構教學中概念抽象、理論性強的特點， 本文將Materials Studio分子模擬軟件引入到晶體結構的具體教學過程中，介紹了在晶體結構教學中使用Materials Studio分子模擬軟件對晶體結構相關概念、基本原理進行可視化及計算分析的一些具體做法，并對計算軟件輔助理論課堂教學的模式進行了探討。實踐表明，使用Materials Studio分子模擬軟件輔助晶體結構教學可使抽象難懂的教學內容直觀化、動態化，易被學生理解和接受，能夠激發學生的學習興趣，提高課堂教學效果。

【關鍵詞】分子計算模擬軟件；Materials Studio；晶體結構

0 引言

晶體的結構及其規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課程內容的基礎地位，如何激發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

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。

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，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據對照進行結構分析。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約了課堂時間，豐富了教學內容，更重要的是激發了學生對教學內容的興趣，增強了其求知欲和創新精神。隨著科學技術的發展，新材料、新結構不斷出現，分子模擬軟件也在更新換代，借助計算軟件輔助晶體結構教學還有許多可探索的空間，有必要不斷優化晶體結構的教學資源，以進一步提高教學質量。

【參考文獻】

[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在微電子專業課程中的應用[J].產業與科技論壇，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.

[責任編輯：湯靜]