MaterialsStudio软件辅助晶体结构教学

1、Materials Studio软件辅助晶体结构教学o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 o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

2、子及电 子等粉末衍射图谱，进而确定晶体的结构：6-7 o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7K晶体结构，加深对晶体对称性的认识从MS软件菜单命令File f Import f Structure中导入不同 的晶体结构，图1给出了超导体YBa2Cu307勺晶体结构，向学生直 观、生动形象地展示了 YBa2Cu307!体的3D结

3、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 o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

4、晶胞的区别。从 MS软件点击菜 单命令 File flmport fStrueture fSemiconductor fSi ,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 Bu订d fSymmetryfPrimitive Cell,即可得到该晶体的原胞，点击菜单 Build fSymmetryfConventional 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。1.3晶面

5、、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

6、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 f Impor t f St rue ture ；（2）点击 Modules一 Reflex f PowerDiffraction f 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