VESTA軟件的晶體學(xué)可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

司聰慧， 張忠華， 盧啟芳， 郭恩言

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部，濟(jì)南 250353；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

晶體學(xué)，又稱結(jié)晶學(xué)，是研究晶體形成、生長、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部形貌、物化性質(zhì)和變化，以及相互關(guān)系的科學(xué)［1］。如今，現(xiàn)代晶體學(xué)衍生出了晶體生成學(xué)、幾何結(jié)晶學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)學(xué)、晶體化學(xué)及晶體物理學(xué)等幾大分支，以闡明結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。在眾多學(xué)科（如材料學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)及物理學(xué)等）中，晶體學(xué)是一門必修的基礎(chǔ)科學(xué)，特別是掌握晶體結(jié)構(gòu)與形貌、性質(zhì)之間的關(guān)系，對(duì)學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)是至關(guān)重要的。然而晶體學(xué)中涉及大量復(fù)雜而又抽象的結(jié)構(gòu)和概念，僅僅借助傳統(tǒng)的教具和實(shí)驗(yàn)器材，理解起來比較困難，究其原因，主要是由于有限的教學(xué)工具及學(xué)生缺乏足夠的想象力和空間理解力造成的，因此急需一個(gè)高效的載體將晶體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀形貌充分展示出來。

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，借助多媒體的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)已深入到各個(gè)高校中［2］。最近各種輔助教學(xué)的軟件層出不窮，教師們也在努力尋求更便捷更有效的教學(xué)工具。在晶體領(lǐng)域，人們已經(jīng)開發(fā)了許多應(yīng)用軟件，如VESTA、Materials Studio（MS）、Diamond、CrystalMaker、Atoms 等［3-5］，這些軟件已經(jīng)非常成熟且在晶體學(xué)的科學(xué)研究工作中發(fā)揮了重要作用，許多科研工作者已熟練掌握并廣泛應(yīng)用，其中VESTA軟件因其強(qiáng)大的功能而備受關(guān)注［6］。利用VESTA軟件可以簡單實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)信息查看、結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整、外觀顯示、圖片輸出以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等一系列功能。這些功能恰巧彌補(bǔ)傳統(tǒng)晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，特別是可視化的特點(diǎn)，對(duì)于教學(xué)工具有限的教師和空間想象力不足的學(xué)生來說是至關(guān)重要的。

VESTA（Visualization for Electronic and STructural Analysis）是由日本京都大學(xué)的Fujio IZUMI 和國立科學(xué)博物館的Koichi MOMMA共同開發(fā)的一款用于晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的可視化專業(yè)軟件［7］。這是一款免費(fèi)軟件，用戶可以從官方網(wǎng)站直接下載，并在科研、教學(xué)及其他非商業(yè)領(lǐng)域使用。該軟件支持Windows、MacOS和Linux等多種操作系統(tǒng)，方便不同用戶使用。VESTA軟件界面簡潔，操作簡單，官網(wǎng)配有詳細(xì)的操作手冊(cè)，即使是初學(xué)者也能很快上手。最重要的是，VESTA軟件功能強(qiáng)大，可以非常便捷地實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)信息查詢、結(jié)構(gòu)顯示與調(diào)整、圖像和數(shù)據(jù)輸出等一系列功能。另外，該軟件具有一定的兼容性，可以讀取和輸出不同的格式，例如cif、POSCAR、CrystalMaker、DL_POLY、MOLDA、PDB、WIEN2k 和xyz等格式。

本文以面心立方緊密堆積鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)（CaTiO3）、六方緊密堆積金紅石型結(jié)構(gòu)（TiO2）和層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)（Mg3［Si4O10］（OH）2）3 種典型的晶體結(jié)構(gòu)為例，從可視化晶體模型、可視化數(shù)據(jù)、可視化晶體形貌角度介紹如何使用VESTA軟件進(jìn)行操作，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)借助VESTA軟件學(xué)習(xí)晶體學(xué)課程。

1 實(shí)驗(yàn)背景及設(shè)計(jì)思路

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

一切晶體不論外形如何，質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）在三維空間均呈周期性重復(fù)排列，晶體的外部形貌、性質(zhì)與內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的排列方式密切相關(guān)。例如，石墨和金剛石都是由碳原子組成，但由于碳原子的排列方式不同，導(dǎo)致石墨和金剛石的外形、物化性質(zhì)也完全不同［8-9］。一般來說，按照化學(xué)鍵不同可將晶體大致分為原子晶體、分子晶體、金屬晶體、離子晶體和共價(jià)晶體［10-11］。在原子晶體中，原子以范德華力凝聚成面心立方或六方緊密堆積結(jié)構(gòu)；分子晶體中，分子內(nèi)的原子以共價(jià)鍵結(jié)合、分子間以范德華力結(jié)合；金屬晶體主要有A1（面心立方）結(jié)構(gòu)、A2（體心立方）結(jié)構(gòu)、A3（六方）結(jié)構(gòu)和A4（類金剛石型）結(jié)構(gòu)4 種類型［12］。

在無機(jī)化合物晶體中，晶體結(jié)構(gòu)可以通過晶胞大小、形狀、緊密堆積方式、配位體等信息描述。在面心立方緊密堆積化合物晶體中，典型的代表包括氯化鈉型結(jié)構(gòu)、閃鋅礦型結(jié)構(gòu)、螢石型結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)和尖晶石型結(jié)構(gòu)等；在六方緊密堆積化合物晶體中，典型的代表包括纖鋅礦型結(jié)構(gòu)、金紅石型結(jié)構(gòu)、碘化鎘型結(jié)構(gòu)和剛玉型結(jié)構(gòu)等。在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，根據(jù)［SiO4］排列方式不同可分為島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀等5 種硅酸鹽結(jié)構(gòu)［13］。由此可見，晶體結(jié)構(gòu)具有多樣性和豐富性，也導(dǎo)致外觀形貌和性質(zhì)的多樣性，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)難以理解的情況，特別是在傳統(tǒng)教具有限的情況下。然而借助VESTA 軟件可以快速有效地對(duì)晶體進(jìn)行建模、結(jié)構(gòu)顯示與調(diào)整、結(jié)構(gòu)信息查看與輸出等操作，且利用多媒體教室學(xué)生可以親自上機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大提高學(xué)習(xí)效率和效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生應(yīng)充分學(xué)習(xí)并了解晶體的一些重要的基本概念［14］，如空間格子、結(jié)點(diǎn)、空間點(diǎn)陣、晶向指數(shù)、晶面指數(shù)、晶帶、配位多面體；晶體中的對(duì)稱操作（如平移、旋轉(zhuǎn)、反映和反伸等）和對(duì)稱元素（如對(duì)稱中心、對(duì)稱軸、螺旋軸、對(duì)稱面和滑移面等）；以及7 個(gè)晶系和14 種布拉菲格子等。針對(duì)此次實(shí)驗(yàn)將要學(xué)習(xí)的3 種晶體結(jié)構(gòu)（CaTiO3結(jié)構(gòu)、TiO2結(jié)構(gòu)和Mg3［Si4O10］（OH）2結(jié)構(gòu)），從可視化晶體模型、可視化數(shù)據(jù)、可視化晶體形貌3 個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)基于VESTA軟件的實(shí)驗(yàn)方案，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程大致分為三部分：

（1）構(gòu)建可視化模型。首先選擇一個(gè)需要學(xué)習(xí)的晶體，直接導(dǎo)入晶體結(jié)構(gòu)模型或通過參數(shù)設(shè)置構(gòu)建模型，這是關(guān)鍵的一步；隨后按照需要對(duì)晶體模型進(jìn)行觀察和調(diào)整，如變換不同的晶胞顯示方式（球棍模式、空間填充模式、多面體模式、線框模式和棍棒模式等）、建立超晶胞、實(shí)現(xiàn)模型在x、y和z軸上的不同視角、調(diào)整晶胞邊框/原子大小與顏色/鍵/多面體等，以便進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

（2）查看并導(dǎo)出可視化數(shù)據(jù)。模型構(gòu)建完成后，學(xué)生可對(duì)晶體的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，如晶格常數(shù)（軸單位a0、b0、c0和軸角α、β、γ）、鍵長、鍵角、平面角、界面夾角、原子坐標(biāo)、電荷密度分布圖以及理論XRD 圖譜等，隨后可將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、作圖并加以分析。

（3）可視化形貌分析。結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)判斷晶體形貌，并進(jìn)行詳細(xì)分析，從而獲得晶體中原子堆積形式、配位方式、對(duì)稱性及對(duì)稱元素、微觀晶體與宏觀形貌之間的關(guān)系等信息。

2 VESTA軟件在晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 構(gòu)建可視化模型

2.1.1 導(dǎo)入/構(gòu)建晶體模型

首先，根據(jù)學(xué)生所要學(xué)習(xí)的晶體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建可視化晶體模型，具體操作流程如下：

第1 步：打開VESTA軟件。學(xué)生需先觀察并在老師的講解下熟悉該軟件界面，其界面的主要組成部分及各部分的功能大致為：菜單欄、水平工具欄（移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等功能）、垂直工具欄（旋轉(zhuǎn)、選擇、移動(dòng)、放大、測量角度和距離等功能）、副面板（快速調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)）、繪圖窗口（工作臺(tái)，可同時(shí)打開多個(gè)窗口）以及文本區(qū)域（顯示各類信息以及當(dāng)前選中的對(duì)象）。

第2 步：快速導(dǎo)入晶體結(jié)構(gòu)模型或通過參數(shù)設(shè)置構(gòu)建模型。目前快速導(dǎo)入/手動(dòng)構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)的方式主要有以下2 種：

（1）快速導(dǎo)入晶體結(jié)構(gòu)模型。該方法需要借助其他晶體數(shù)據(jù)庫，目前可查詢晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫很多，如Materials Project（免費(fèi)）、COD（免費(fèi)）、ICDD（免費(fèi)）、AMCSD（免費(fèi)）、Materials Studio（付費(fèi)）、CSDS（付費(fèi)）以及ICSD（付費(fèi)）等，幾乎所有單質(zhì)和化合物的晶體結(jié)構(gòu)均可從這些數(shù)據(jù)庫中獲得。下面以Materials Project為例，介紹如何快速獲得晶體結(jié)構(gòu)并導(dǎo)入VESTA 軟件：①在任意瀏覽器中輸入網(wǎng)址“https：/ /materialsproject.org”，打開Materials Project 網(wǎng)站；②在搜索框中輸入要查詢晶體的化學(xué)式（以CaTiO3為例），點(diǎn)擊“search”即可彈出符合該化學(xué)式的所有晶體類型，如圖1（a）所示；③選擇符合要求的晶體結(jié)構(gòu)，單擊即可彈出其晶體結(jié)構(gòu)圖，如圖1（b）所示為空間群Pm3m的CaTiO3結(jié)構(gòu)圖；④點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)圖下方“CIF”鍵（圖1（b）中紅色虛線框），選擇輸出的文件類型，單擊即可自動(dòng)下載后綴為“. cif”的晶體結(jié)構(gòu)文件；⑤將下載好的文件直接拖入VESTA 軟件中，或在VESTA 中點(diǎn)擊“File”-“Open”導(dǎo)入文件，即可完成晶體結(jié)構(gòu)模型的快速導(dǎo)入。由于數(shù)據(jù)庫查詢是一種既簡便又準(zhǔn)確的晶體導(dǎo)入方式，因此建議學(xué)生優(yōu)先選擇這種辦法。

圖1 （a）通過Materials Project查找出的CaTiO3 的所有晶體結(jié)構(gòu)；（b）空間群為Pm3m的CaTiO3 結(jié)構(gòu)圖

（2）手動(dòng)構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)模型。對(duì)于無法通過其他工具導(dǎo)出的晶體，可先查詢資料或手冊(cè)獲得相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后在VESTA 軟件中手動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)信息，從而建立準(zhǔn)確的晶體結(jié)構(gòu)。以金紅石型TiO2結(jié)構(gòu)為例：①查詢?cè)摼w的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可知其為四方晶系，空間群為P42/mnm，晶格參數(shù)a=b=0.4653 nm，c=0.2969 nm，α=β=γ=90°。每個(gè)晶胞中含有2 個(gè)Ti原子和4 個(gè)O 原子，Ti 原子坐標(biāo)分別為（0，0，0）、（0.5，0.5，0.5），O 原子坐標(biāo)分別為（0.2，0.8，0.5）、（0.3，0.3，0）、（0.7，0.7，0）、（0.8，0.2，0.5）；②點(diǎn)擊菜單欄“File”-“New Structure”，在彈出的窗口中，依次在“Phase”-“Title”中輸入晶體名稱TiO2、在“Unit cell”中選擇該晶體對(duì)應(yīng)的“Symmetry”“Space Group”和“Lattice parameters”，在“Structure parameters”中輸入上述Ti原子和O原子坐標(biāo)，最后點(diǎn)擊“OK”，即可獲得所需的晶體結(jié)構(gòu)模型。

2.1.2 變換不同的顯示方式

構(gòu)建好晶體模型后，可以在VESTA軟件中以不同的形式顯示。具體操作步驟為：依次點(diǎn)擊菜單欄中“Objects”-“Structural Models”，其中有5 種顯示方式，分別為：Ball-and-Stick（球棍模式）、Space-Filling（空間填充模式）、Polyhedral（多面體模式）、Wireframe（線框模式）和Stick（棍棒模式），也可以直接在副面板“Style”中變換這5 種顯示方式。如在本實(shí)驗(yàn)中，面心立方緊密堆積鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)（CaTiO3）、六方緊密堆積金紅石型結(jié)構(gòu)（TiO2）和層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)（Mg3［Si4O10］（OH）2）這3 種典型的晶體結(jié)構(gòu)的5 種顯示方式如表1 所示。其中，多面體模式可以幫助學(xué)生迅速判斷原子的配位情況。

2.1.3 超晶胞的建立

通常情況下，不管是快速導(dǎo)入還是手動(dòng)構(gòu)建的都是單個(gè)的晶胞，為了幫助學(xué)生觀察晶體的周期重復(fù)性，可以在VESTA軟件中建立超晶胞。具體操作如下：在副面板中選中“Style”選項(xiàng)，拖到最下方，點(diǎn)擊“Boundary”，即可彈出一個(gè)新的界面。其中x（max）、y（max）和z（max）的值決定了在x、y和z3 個(gè)方向擴(kuò)展超胞的大小。以層狀硅酸鹽Mg3［Si4O10］（OH）2結(jié)構(gòu)為例，將x（max）、y（max）和z（max）分別設(shè)置為2、6和2 后，由圖2（a）的單晶胞變成圖2（b）的超晶胞。

圖2 在VESTA 軟件中構(gòu)建層狀硅酸鹽Mg3［Si4O10］（OH）2的（a）超晶胞結(jié)構(gòu)圖；（b）單晶胞結(jié)構(gòu)圖

2.1.4 顯示不同的晶面

每個(gè)晶胞中都存在不同的晶面，這在晶體學(xué)的學(xué)習(xí)中是非常重要的一部分，也是晶體學(xué)中比較難理解的一部分內(nèi)容，借助VESTA軟件可以輕松的實(shí)現(xiàn)任意晶面的切割。具體操作如下：①點(diǎn)擊菜單欄“Edit”—“Lattice Planes”，即可彈出編輯晶面的界面；②在彈出的界面中，點(diǎn)擊右下角“New”之后，“Add lattice planes”變成可編輯狀態(tài)，然后在“Miller indices（hkl）”和“Distance from origin”輸入所需的晶面參數(shù)，在原界面中即可顯示相應(yīng)的晶面。以CaTiO3為例，為了觀察到晶面上更多原子，可以先按照2.1.3 中的操作，建立一個(gè)2 ×2 ×2 的CaTiO3超晶胞，如圖3（a）所示。隨后分別在Miller indices（hkl）中輸入（1，0，0）、（1，1，0）和（1，1，1），即可得到CaTiO3的（100）、（110）和（111）晶面，如圖3（b-d）所示，從而獲得不同的晶面信息。

圖3 （a）CaTiO3 的2 ×2 ×2 超晶胞結(jié)構(gòu)圖；（b）～（d）在VESTA中顯示CaTiO3 的（100）、（110）和（111）晶面

2.1.5 其他顯示方式

除上述操作外，在VESTA軟件中還可以實(shí)現(xiàn)很多不同的顯示方式。例如：①點(diǎn)擊位于水平工具欄中的a、b、c和a*、b*、c*，即可快速顯示模型在x、y和z軸上的不同視角；②在副面板中點(diǎn)擊“Style”選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊最下方“Properties…”按鈕，在彈出的界面中，點(diǎn)擊“General”選項(xiàng)，然后在“Unit Cell”中，可以選擇是否顯示結(jié)構(gòu)邊框線（Do not show、Single unit cell或All unit cells），以及邊框線的顯示方式（Solid lines、Dotted lines或Dashed lines）；③在副面板“Style”-“Properties…”中，還可點(diǎn)擊“Atoms”設(shè)置原子大小與顏色、點(diǎn)擊“Bonds”設(shè)置鍵的顯示方式、點(diǎn)擊“Polyhedra”設(shè)置多面體的顯示、點(diǎn)擊“Isosurfaces”設(shè)置等位面、點(diǎn)擊“Sections”顯示截面等操作。

2.2 查看并導(dǎo)出可視化數(shù)據(jù)

2.2.1 查看鍵長/鍵角/二面角

經(jīng)過前面的操作，學(xué)生已在VESTA軟件中順利導(dǎo)入所需的晶體模型，并進(jìn)行了一定程度的調(diào)整，進(jìn)一步，可以在這個(gè)模型基礎(chǔ)上獲得一些具體的信息，如鍵長、鍵角和二面角等。在軟件左側(cè)垂直工具欄的最下方有3 個(gè)選項(xiàng)：“Distance”“Angel”和“Dihedral angle”，它們分別代表鍵長、鍵角和二面角。

（1）鍵長的測量。先點(diǎn)擊“Distance”鍵，然后依次選中形成該鍵的2 個(gè)原子，在最下方Output 輸出框就會(huì)顯示選中的2 個(gè)原子分別是什么，以及2 個(gè)原子之間的鍵長是多少。如圖4（a）所示為CaTiO3中某個(gè)Ca原子和O 原子形成的Ca—O 鍵的鍵長，在得到的結(jié)果中有3 行數(shù)據(jù)，第1 行代表所選擇的Ca—O鍵的鍵長為0.275017 nm，第2、3 行代表選中的2 個(gè)原子分別是Ca0 原子和O2 原子，這里的0 和2 指的是該原子在結(jié)構(gòu)文件中的排序。

圖4 在VESTA中，測量（a）CaTiO3 中Ca/O鍵的鍵長；（b）CaTiO3 中O-Ca-O的鍵角和（c）TiO2 中Ti1-O2和Ti0-O5構(gòu)成的二面角

（2）鍵角的測量。先點(diǎn)擊“Angel”鍵，再依次選中形成該鍵角的3 個(gè)原子，在最下方Output 輸出框就會(huì)顯示選中的3 個(gè)原子分別是什么，以及這3 個(gè)原子所形成的鍵角是多少，如圖4（b）所示為CaTiO3中O2、Ca0 和O23 個(gè)原子所形成的O-Ca-O 的鍵角，角度為90°。

（3）二面角的測量。點(diǎn)擊“Dihedral angle”鍵，然后依次選中形成該二面角所涉及到的4 個(gè)原子，同樣地，在最下方Output輸出框就會(huì)顯示選中的4 個(gè)原子分別是什么，以及這4 個(gè)原子形成的二面角是多少，如圖4（c）所示為TiO2中Ti1-O2 和Ti0-O5 所形成的二面角，角度為40.9°。

2.2.2 查看電荷密度圖

以CaTiO3為例，具體的操作流程如下：①依次點(diǎn)擊“File”—“Open”，導(dǎo)入提前準(zhǔn)備好的電荷密度文件，即可在界面上顯示晶體的三維電荷密度圖，如圖5（a）所示為CaTiO3晶胞的電荷密度分布情況；②為了進(jìn)一步觀察某個(gè)晶面的電荷分布情況，需要進(jìn)行切面操作，點(diǎn)擊“Utilities”—“2D Data Display”，在彈出的新界面中點(diǎn)擊“Slice”后，會(huì)彈出另一個(gè)新的界面，在這個(gè)新界面中h、k、l指的是晶面的密勒指數(shù)，輸入相應(yīng)的值后即為選擇了該（hkl）晶面族，若想確定某個(gè)晶面，還需在下方“Distance from origin”中輸入距離原點(diǎn)的距離，這樣就可以把晶面位置確定下來，這里的d代表（hkl）晶面的面間距，例如要想選擇圖5（a）中位于CaTiO3中間位置的（100）晶面，則輸入0.5 ×d，然后點(diǎn)擊“OK”，即可獲得該平面的電荷密度圖，如圖5（b）所示，坐標(biāo)中越接近藍(lán)色代表電荷密度越小反之，越接近紅色代表電荷密度越大；③在圖5（b）中，氧原子只占據(jù)每角上的1/4，為了觀察得更清楚，可在“Slice”中修改x（max）、y（max）和z（max），例如我們將這3 個(gè)數(shù)字都改為2 后，即進(jìn)行了一個(gè)2 ×2 ×2 的擴(kuò)胞，如圖5（c）所示，可以更清楚的觀察每個(gè)原子周圍的電荷情況。④最后，點(diǎn)擊“File”—“Export Raster Image”，即可將該密度圖導(dǎo)出成bmp、eps、jpg、png等多種格式。

圖5 利用VESTA軟件獲得（a）CaTiO3 晶胞的電荷密度分布情況；（b）位于CaTiO3 中間位置的（100）晶面的電荷密度圖；（c）CaTiO3（100）晶面擴(kuò)胞后的電荷密度圖；（d）晶體數(shù)據(jù)信息

2.2.3 輸出數(shù)據(jù)或圖片

使用VESTA軟件繪制的圖形可以保存為多種多樣的形式，例如“位圖”“矢量圖”或“文本文件”等，方便學(xué)生進(jìn)行分析。

具體操作步驟為：點(diǎn)擊“File”—“Export Data”可以選擇輸出的文件格式，如常用的cif、vasp 格式等；或點(diǎn)擊“File”下的“Export Raster Image”“Export Vector Image”和“Save Output Text”，可分別輸出位圖、矢量圖或保存為文本文件。如圖5（d）所示，將CaTiO3的晶胞保存為文本文件后，可以得到更多數(shù)據(jù)信息，如原子數(shù)量、晶胞參數(shù)、原子坐標(biāo)等。

2.3 可視化形貌分析

微觀上，晶體是質(zhì)點(diǎn)在三維點(diǎn)陣上進(jìn)行周期性排列形成的；宏觀上，肉眼觀察到的晶體形貌往往是由晶棱和晶面封起來的多面體。然而，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)將外觀形貌與晶體結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，難度較大。借助VESTA軟件，有助于我們對(duì)晶體的可視化形貌進(jìn)行分析。例如本文中列舉的TiO2是一種多晶型氧化物，在不同情況下以不同的晶型存在，包括金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型3 種晶型。每種晶型最外層暴露的晶面也各不相同，決定了它們具有不同的外觀形貌。其中金紅石型TiO2的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，另外兩種晶型在一定的條件下會(huì)轉(zhuǎn)變成金紅石型結(jié)構(gòu)。利用2.1.4 中操作的晶面顯示方式，可以將金紅石型TiO2結(jié)構(gòu)最外層暴露的表面表示出來，如圖6（a）所示，很明顯，晶體結(jié)構(gòu)與實(shí)際的金紅石型TiO2形貌（圖6（b））之間存在著非常密切的關(guān)系。

圖6 （a）利用VESTA軟件繪制的金紅石型TiO2 結(jié)構(gòu)；（b）實(shí)際的金紅石型TiO2 形貌

3 結(jié)語

對(duì)于晶體學(xué)中大量復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和概念，學(xué)生借助VESTA軟件可以進(jìn)行快速的可視化晶體結(jié)構(gòu)、可視化數(shù)據(jù)和可視化形貌分析。VESTA 軟件界面清晰、功能全面，只需進(jìn)行簡單的教授，學(xué)生便可迅速掌握并獨(dú)立操作。通過VESTA軟件，把晶體學(xué)中難以理解的概念、結(jié)構(gòu)等問題形象化、具體化、簡單化，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。通過可視化晶體結(jié)構(gòu)、可視化數(shù)據(jù)和可視化形貌分析，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)晶體學(xué)內(nèi)容的理解，課堂也變得更加豐富有趣，有助于全面提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，學(xué)生可自主挖掘VESTA軟件更深層的功能，大大激發(fā)了他們探索新知識(shí)、尋找新方法的熱情和積極性，這個(gè)軟件也可成為學(xué)生在以后學(xué)習(xí)工作中的一個(gè)常用工具進(jìn)行使用，對(duì)于培養(yǎng)社會(huì)需要的全方位人才具有一定的實(shí)踐意義。