VESTA教程:构建金刚石结构

构建金刚石结构


首先,简要介绍 VESTA 界面中几个常用参数的含义。

File -> New structure


点击后会进入 New Data(新建数据)面板。

注意:该界面可随时退出,通过 Edit -> Edit Data 或快捷键 Ctrl + E 可再次调出。

New Data 面板 image-20261003155134681

首先是 Phase(相界面)设置。VESTA 支持在同一窗口中加载和对比多个结构,但此处无需复杂设置,仅输入标题即可。

Unit Cell


点击面板中的 Unit Cell 标签,进入晶胞设置页。

Unit Cell image-20261003155748564

  1. 可直接使用蓝框部分,即 VESTA 自带的 Symmetry(对称性)体系预设。
  2. 也可点击红框中的 Remove symmetry(移除对称性)后,自定义晶格结构。
  3. 注:a、b、c 表示晶格基矢长度,α、β、γ 表示三个基矢之间的夹角。

Structure parameters


此部分用于设定晶格内原子的种类、数目及位置等参数。

Structure parameters image-20261003160550142

  1. x、y、z 分别代表分数坐标。
  2. occ. 表示占据数(occupancy)。

接下来,以三种方式创建 Si 的金刚石结构。

方式一:使用惯用胞(常规胞)
  1. 在 Unit Cell 标签页中
  2. 点击 Remove Symmetry 自定义晶格。将晶格常数 a、b、c 均设为 5.466,基矢夹角均设为 90°。 此时 Symmetry 会显示为 Triclinic P1(P1 表示不自动添加对称性原子)。

  1. 在 Structure parameters 中
  2. 依次输入以下 8 个原子坐标(分数坐标):

代码
   0, 0, 0
   0, 0.5, 0.5
   0.5, 0, 0.5
   0.5, 0.5, 0

前四个点输入并 Apply 后,会呈现面心立方(FCC)骨架。 接着输入后四个点:

代码
   0.25, 0.25, 0.25
   0.25, 0.75, 0.75
   0.75, 0.25, 0.75
   0.75, 0.75, 0.25

后四个点表示将前四个点沿体对角线平移 1/4 个单位。

image-20261003163045884-1791190927384-18

若发现原子显示过大,可在左下角 Properties -> Atoms 中调整 Radius(半径)来改变原子显示大小。 image-20261003163208036

于是我们就得到了金刚石晶体结构: image-20261003163430286

  1. 接下来绘制化学键
  2. 在绘制之前,先使用左侧栏的测距工具,测量 Si1 和 Si2 之间的距离,得到:d = 2.35169(0) Å。 然后通过 Edit -> Bonds 或快捷键 Ctrl + B 打开键设置界面。

Bonds 界面 image-20261003164518754-1791190927384-21

按照图中所示进行设置:

红框表示连接方式

  1. 勾选 Search mode 表示寻找符合条件的原子 A2 连接到原子 A1,其余两个选项同理。
  2. 勾选 Boundary mode 表示即使晶格外有符合条件的原子也不额外添加,下面两个选项均为添加,添加方式如字面意思。

蓝框表示连接条件

  1. A1、A2 表示选定要连接化学键的两种原子。建议创建原子时顺手填写 label(标签),这样即可通过 Search by label 用标签区分原子(如图 label 所示)。
  2. image-20261003165036343

  3. Min/Max length 表示将原子间距在此区间内的两原子连接起来。已知 Si1 和 Si2 之间的距离 d = 2.35169(0) Å,因此这里填入 2.4 或稍大一点均可,但不宜过大,否则会出现错误连接(如图所示)。

错误连接 image-20261003165627121

这是因为条件过于宽松,符合连接条件的原子增多了。

最终的效果图如下:

方式一效果图: image-20261003165746455


方式二:使用原胞
  1. 在 Unit Cell 标签页中
  2. 点击 Remove Symmetry 自定义晶格。将晶格常数 a、b、c 均设为 3.84,基矢夹角均设为 60°。

  1. 在 Structure parameters 中
  2. 设置两个原子坐标(因为金刚石结构的原胞中只有两个非等效原子):

代码
   0 0 0 
   0.25 0.25 0.25

此时可得到如下结构: image-20261003171758003

  1. 接下来创建化学键
  2. 操作与方式一相同,但这里需要将 Boundary mode 改为勾选第二个选项。这是因为如果不添加晶格外的原子,成键数量太少,难以看出金刚石的整体结构。 下方两图分别为 Boundary mode 勾选第一个和第二个选项的结果。

image-20261003172229368 image-20261003172234860


方式三:使用官方预设

这种方式最为直接,即利用 VESTA 自带的预设。

  1. 在 Unit Cell 标签页中
  2. 在 Symmetry 选项内,选择 Cubi -> NO.227 F d - 3m。 关于后面的 origin choice 1 和 2 的区别,可以点击 Apply 观察,具体效果因结构而异。

  1. 在 Structure parameters 中
  2. 只需添加一个原子,坐标设为:

代码
   0 0 0
  1. 创建化学键的步骤与之前相同。

最终效果图: image-20261003173326504


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