Materials Studio软件辅助晶体结构教学

付志粉

（安徽理工大学理学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

晶体的结构及其规律性是固体物理课程的重要组成部分，同时也是材料科学与基础、固体电子学等课程的重要基础内容[1-4]。其所涉及的晶体结构复杂，概念、原理抽象，学生普遍反映难学、教师感觉难教。鉴于晶体结构的教学对于后续课程内容的基础地位，如何激发学生学习这部分内容的兴趣进而提高教学效果，教师教学观念的转变、教学方法的改进以及先进教学手段的引入就显得尤为重要。Materials Studio是一款功能强大，操作简便且可在一般PC机上运行的分子模拟软件[5]。该软件不仅能方便地建立各种晶体的三维结构模型，还能计算和模拟晶体的X射线、中子及电子等粉末衍射图谱，进而确定晶体的结构[6-7]。本文选取晶体结构教学中晶体的结构及其对称性、晶胞/原胞、晶面/晶向、X射线衍射等概念及原理，使用Materials Studio分子模拟软件对这些知识点、概念及原理进行了可视化及具体的计算分析，以期为提高晶体结构的教学效果提供参考。

1 Materials Studio(MS)软件应用

1.1 直观显示晶体结构，加深对晶体对称性的认识

图1 YBa2Cu3O7晶体的结构

从MS软件菜单命令File→Import→Structure中导入不同的晶体结构，图1给出了超导体YBa2Cu3O7的晶体结构，向学生直观、生动形象地展示了YBa2Cu3O7晶体的3D结构，以开阔学生的视野；通过旋转、移动、缩放所建晶体结构，使学生从不同角度观察认识所建的晶体结构及其对称性；再从菜单命令Build→Show Symmetry→Symmetry Group,向学生讲解菜单对话框中各种符号的含义，加深学生对晶体对称性的认识。

1.2 晶胞、原胞的区别

晶胞与原胞是晶体学中两个重要且易混淆的概念。在教学中一般告诉学生原胞是晶体中最小的周期性重复单元，而晶胞是晶体最小周期性重复单元的几倍。多数教材此处是以简立方、体心立方、面心立方结构为例向学生说明原胞、晶胞的区别[1-3]。有了MS软件以后，可以扩充到其它结构的晶体。以图2给出的Si的晶体结构为例来说明原胞与晶胞的区别。从MS软件点击菜单命令File→Import→Structure→Semiconductor→Si，导入的结构即为Si的晶胞结构（也叫惯用原胞，单胞），接着点击菜单Build→Symmetry→Primitive Cell，即可得到该晶体的原胞，点击菜单Build→Symmetry→Conventional Cell，可在Si晶体的晶胞和原胞间进行转换。引导学生得出以下结论：晶胞所在重复单元体积大于原胞所在单元的体积；一个晶胞中可包含多个原子（一个Si晶胞中包含8个原子），而一个原胞中一般仅含一个原子；晶胞的对称性程度高于原胞的。

图2 Si的晶体结构

1.3 晶面、晶向概念的引入

以Cu晶体结构为例，在一个新的3D文档中导入金属Cu的晶体结构，建立Cu晶体的超胞结构，显示该晶体在不同平面上及不同方向上原子的排列情况，使学生首先对晶体的周期性结构有一个直观的认识，接着向学生演示Cu晶体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构成，或看成是由一系列分布在[100]、[110]或[111]等相互平行等距的直线系上的原子构成，由此引出晶面及晶向的定义。经过作者近几年的课堂教学效果表明这种引入晶面、晶向的做法，教师容易讲解清楚，学生也更容易接受。

1.4 帮助理解晶体X射线衍射原理

教学中在讲授完晶体X射线衍射的基本原理后，利用MS软件自带的Reflex模块计算已知晶体的X射线衍射谱并进行结构分析，以加深学生对X射线衍射原理及晶体结构的认识。具体操作步骤如下：（1）导入要计算衍射谱的晶体结构点击File→Import→Structure； （2） 点 击 Modules→Reflex→Power Diffraction→Calculate即可得到所导入晶体的X射线衍射图谱。为了增强教学效果，教师可布置课后作业，让学生课后亲自参与计算不同种类晶体的X射线衍射谱，并与文献资料中的实验数据对照进行结构分析。图3利用MS软件计算的BaTiO3晶体的X射线衍射图谱。

图3 利用MS软件计算的BaTiO3晶体的X射线衍射图谱

2 结束语

在晶体结构教学过程中使用Materials Studio分子模拟软件，使原本复杂的晶体结构，抽象的概念及原理变得直观且易于理解，这种借助计算软件辅助理论教学的方式不仅节约了课堂时间，丰富了教学内容，更重要的是激发了学生对教学内容的兴趣，增强了其求知欲和创新精神。随着科学技术的发展，新材料、新结构不断出现，分子模拟软件也在更新换代，借助计算软件辅助晶体结构教学还有许多可探索的空间，有必要不断优化晶体结构的教学资源，以进一步提高教学质量。

［1］王矜奉.固体物理教程[M].济南：山东大学出版社,2010.

［2］余永宁.材料科学基础[M].北京：高等教育出版社,2012.

［3］沈为民.固体电子学导论[M].北京：清华大学出版社,2012.

［4］韦丹.固体物理[M].北京：清华大学出版社,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］陈海平.分子模拟软件Materials studio在微电子专业课程中的应用[J].产业与科技论坛,2012,11(20)：76-77.

［7］杜永胜.Materials studio在固体物理教学中的应用[J].技术物理教学,2009,3(17)：45-46.