晶体结构可视化软件VESTA入门教程


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图1 采用Vesta绘制出的材料结构示意图

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♦目录

1 软件介绍

2 建立晶体结构

2.1 导入晶体结构文件

2.2 手动建模

3 查看晶体结构信息

3.1 查看基本信息

3.2 查看原子坐标

3.3 查看原子距离

3.4 查看原子夹角,二面角和界面角

4 调整晶体结构

4.1 调整晶胞参数

4.2 降低晶体对称性

4.3 增加原子和调整原子位置

4.4 删除原子

4.5 构建超晶胞

5 美化晶体结构

5.1 修改总体外观

wellbet吉祥官方网站5.2 修改晶体结构显示方式

5.3 调整原子、键和多面体等显示特性

5.4 显示晶面

6 输出图片或数据

7 其他功能

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1 软件介绍

VESTA(Visualization for Electronic and STructural Analysis)是由日本国立科学博物馆的Koichi MOMMA和京都大学的Fujio IZUMI开发出的一款用于晶体结构和电子结构可视化的专业软件。VESTA功能十分强大,它可以非常简单地实现晶体结构建模、查看结构信息、调整晶体结构参数和显示外观,输出图片或转换数据格式等一系列功能。

wellbet吉祥官方网站VESTA是一款免费的软件,你可以在学术、科学、教育及非商业应用中尽情使用,但最好在发表时引用下面这个参考文献:K. Momma and F. Izumi, “VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data,” J. Appl. Crystallogr., 44, 1272–1276 (2011)。

wellbet吉祥官方网站VESTA十分小巧,仅有60 MB,下载后无需安装,解压即可使用(下载链接:http://jp-minerals.org/vesta/en/download.html)。除了可以在Windows系统下使用,它也可以在MacOS和Linux上使用。自2017正式推出至今,它经历了1.x、2.x、3.x等几代产品,其功能也在不断完善,最新的版本是VESTA 3.4.8。

2 VESTA官网

VESTA界面比较简洁(如图3),主要由以下几个部分组成:

(1)菜单栏;

(2)水平工具栏:主要有选择查看角度,移动,旋转等功能;

(3)垂直工具栏:主要由旋转,选择,移动,放大,测量角度和距离等功能。

(4)副面板:快速调整晶体结构;

(5)绘图窗口:可同时打开多个窗口;

wellbet吉祥官方网站(6)文本区域:显示结构图的各类信息以及当前选中的对象;

图3 VESTA的界面

2 建立晶体结构

2.1 导入晶体结构文件

将下载好的晶体结构文件直接采用VESTA打开即可(图4),VESTA支持非常多的晶体结构文件格式,如:cif,xyz,ins,POSCAR,pdb,cc1,ics等。

4 采用VESTA打开cif文件即可导入晶体结构

2.2 手动建模

如果我们无法下载到晶体结构文件,但能从一些文献中获得晶体结构信息,那可以采用手动建模的方式建立晶体结构。下面以手动建模ZnS晶体为例,已知其晶体结构信息如图5。

5 ZnS的晶体结构参数

步骤1:在菜单栏选择新建晶体结构命令,如图6所示;

图6 新建晶体结构

步骤2:修改晶体结构名称为ZnS,如图7所示;

图7 修改名称

wellbet吉祥官方网站步骤3:选择对称性信息并输入点阵参数,如图8所示;

图8 选择对称性信息并输入点阵参数

步骤4:按照文献中的数据输入Zn和S原子的信息,如图9所示;

图9 输入原子信息

步骤5:单击OK即可获得如图10所示的晶体结构。

图10 手动绘制的ZnS晶体结构

3 查看晶体结构信息

3.1 查看基本信息

如图11所示,在文本区域单击“Summary”即可看到晶体结构的基本信息。

图11 查看晶体结构基本信息

3.2 查看原子坐标

如图12,使用垂直工具栏上的“选择”工具,选择你想查看的原子,然后就能在Output里面获得原子坐标。(提示:在原子的右上角单击更容易选择上该原子)

图12 查看原子坐标

3.3 查看原子距离

wellbet吉祥官方网站如图13,选择“距离”工具,然后单击你想测量的两个原子,随后就能在Output里面获得原子距离。

图13 查看原子距离

3.4 查看原子夹角,二面角和界面角

wellbet吉祥官方网站以测量原子夹角为例(图14),选择“角度”工具,然后依次选择三个原子,随后就能在Output里面获得原子夹角。二面角和界面角的测量类似,这里不再叙述。

图14 查看原子夹角

4 调整晶体结构

4.1 调整晶胞参数

wellbet吉祥官方网站如图15所示,依次选择“Edit → Edit Data → Unite Cell”就可以打开“Edit Data”界面(图16),在图16红圈所示地方就可以对晶胞参数进行调整。这里只能对晶胞长度a进行调整,因为该例中ZnS是立方结构。

图15 打开Unite Cell页面

图16 调整晶胞参数

4.2 降低晶体对称性

wellbet吉祥官方网站有时候为了方便对晶体结构进行修改,我们需要降低晶体的对称性至“P1”。从4.1中的图15和图16可以看出,由于对称性的存在,Zn和S原子只有一个等效位点且有些晶体点阵参数不能修改。为此,我们可以按照图17的方式通过“Remove symmetry”来去除晶体对称性。

图17 降低晶体对称性

wellbet吉祥官方网站可以看到,点阵参数都可以修改了(图18)且原子等效位置种类也大大增加了(图19)。

18 修改点阵参数

19 原子等效位置

4.3 增加原子和调整原子位置

增加原子操作是在“Edit Data”选项卡中的“Structure parameters”页面进行的,如图20所示,单击“New”并输入原子参数就可增加原子,结果如图21所示。如果先选中已有的原子,则可以对原子位置进行调整。

20 增加原子

 

图21 增加一个绿色的Li原子

4.4 删除原子

VESTA删除原子分为两种,一种是真正意义上的删除;另一种只是表观删除,只是不让原子显示出来。

wellbet吉祥官方网站(1)真正删除:如图22所示,选中原子序号,点击删除即可。

22 真正删除原子

(2)表观删除:如图23,选中原子,按下Delete即可。此时原子仅仅不显示,进入“Edit Data”选项卡中的“Structure parameters”页面可以发现原子还是存在的(图24),再次点击Appy就可以重新显示出来。

图23 表观删除原子

图24 查看原子信息

4.5 构建超晶胞

(1)如图25所示,在“Edit Data”选项卡中的“Unit Cell”页面单击“Transform”;

图25 选择Transform

(2)如图26,在打开的界面中输入转换矩阵(这里表示“b轴×2”),并在两次弹出的对话框内连续选择是(这里没有显示这些对话框),最后单击“OK”;

图26 输入转换矩阵

(3)系统自动回到如图27的界面,然后点击“Apply”即可,就可得到如图28所示的结果;

图27 最后点击应用

28 构建好的超晶胞

5 美化晶体结构

5.1 修改总体外观

如图29,通过“View”→“Overall Appearance”即可打开如图30所示的总体外观调整界面,在这里我们可以对绘图窗口图形的总体外观进行调整,包括背景颜色,投影方式,深度效果等重要参数。

29 打开总体外观

图30 总体外观调整界面

5.2 修改晶体结构显示方式

如图31,我们可以在副面板中通过Style来改变晶体结构的显示方式,总共有五种类型(图32)。

图31 调整晶体结构显示方式

图32 五种晶体结构显示方式

5.3 调整原子、键和多面体等显示特性

晶体结构中的晶胞边框、原子大小与颜色、键和多面体等显示特性都可以在“Properties”界面中进行调整(图33),我们可以在副面板中单击“Properties”来调出它(图34)。

图33 Properties界面

图34 Properties界面的打开方法

(1)调整晶胞边框和坐标轴

如图35所示,在“General”页面,我们可以轻易地调整是否显示晶胞边框,线框类型,粗细以及颜色。与此同时,我们也可以调整是否显示坐标轴及坐标轴标签(图36)。

图35 在General页面调整晶胞边框和坐标轴

图36 调整晶胞边框和坐标轴前后对比图

(2)调整原子大小和原色

wellbet吉祥官方网站如图37,在Atoms页面,我们就可以对原子的大小和颜色等各种性质进行调整。

图37 调整原子的大小和颜色

3)调整键的显示

如图38,在Bonds页面,我们可以对键的各种显示方式进行调整,包括单颜色,双颜色,渐变线,虚线等各种类型。

图38 调整键的显示方式

需要注意的是,在对“键”的显示类型进行调整前必须要存在键才行,如果原子之间不存在键,可以按照图39和40建立键。

39 打开“Bonds”界面的方法

图40 在“Bonds”界面中新建Zn-S键

5.4 显示晶面

wellbet吉祥官方网站首先通过“Edit”→“Lattice Planes”打开编辑晶面的界面(图41),然后按照如图42所示,通过新建晶面来显示晶面。

图41 打开编辑晶面的方式

图42 新建晶面

6 输出图片或数据

在我们建立、修改并美化好晶体结构之后,我们就可以按照图43的方式将结果输出,除了可以将结果保存为各种数据文件之外,最重要的是将其保存为图片。VESTA软件绘制的图形既可以保存为“位图”也可以保存为“矢量图”,一般我们是选择保存为“位图”。

图43 将结果输出为数据文件或图片

在保存为位图输出图片的时候,我们还需要填写一个“Scale”因子(图44),这个因子越大,输出的图片也越清晰,一般情况下我们使用3就可以了。

图44 调整Scale因子

7 其他功能

除了广泛地用来显示材料的晶体结构,VESTA还可以用来进行以下工作:

wellbet吉祥官方网站(1)进行简单的理论计算相关的晶体结构建模;

(2)获得理论XRD谱图(图45);

wellbet吉祥官方网站(3)查看与电子结构相关的理论计算结果(图46);

wellbet吉祥官方网站(4)转化晶体结构文件类型(输出为POSCAR和CIF等类型的文件)

45 获得理论XRD谱图

图46 查看电子结构图

注:本文是作者根据个人经验总结而得,作者已尽力查找资料以避免可能的错误或误导,如有差错,欢迎大家在评论区留言指正,多多交流。

本文由王老师供稿。

本内容为作者独立观点,不代表wellbet吉祥官方网立场。

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