1引言

量子力学第一性原理计算方法被广泛地应用在化学、物理、生命科学和材料学等领域,而在进行第一性原理计算时,常常需要多种辅助软件,比如建模软件MaterialsStudio、数据处理软件Ultraedit、数据上传软件WinScp、能带图作图软件p4vasp以及可视化数据处理软件VESTA等一系列软件。其中VESTA作为一款免费的可视化软件,在图形的绘制当中非常便捷,广大计算工作者常用其绘制晶体/材料结构图。

2软件简介

VESTA的全称为VisualizationforElectronicandStructuralAnalysis,其由日本京都大学的FujioIZUMI和国立科学博物馆的KoichiMOMMA共同开发出的一款应用于晶体结构和电子结构可视化的专业软件。作为一款免费的软件,使用者可以在学术、科学及教育等领域中应用。

2.1软件下载

在网页上输入“VESTA”的关键字符即可搜索到该软件官网,点击链接进入,可见图1的官网界面。点击左侧菜单栏的Download选项,出现如图2所示的下载通道,除了可以在Windows系统下使用,也可以在MacOS和Linux上使用。VESTA十分小巧,下载后无需安装,解压即可使用,操作非常方便快捷。

2017正式推出至今,VESTA经历了1.x、2.x、3.x等几代产品,其功能也不断完善和更新,2020年的最新版本为VESTA3.5.2,大小仅为20多MB,(下载链接:http://jp-minerals.org/vesta/en/download.html)。

若链接失效,可联系我们:17318936377(微信同号)

图1VESTA官网界面

图1

2.2软件界面

VESTA界面比较简洁,如图3所示,其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:主要有旋转,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;

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2VESTA的界面

图2

2.3软件功能

VESTA的功能十分强大,它可以非常简单地实现晶体结构建模、调整晶体结构参数、显示外观和查看结构信息,以及输出图片或转换数据格式等一系列功能,部分功能如下文所示(图4-6):

a)可视化晶体模型:

图3采用VESTA绘制出的晶体结构示意图

图3

b)可视化体数据:

采用VESTA可以绘制电子密度分布图、电荷密度分布图:

c)可视化晶体形貌:

图4采用VESTA绘制出的晶体形貌图

图4

d)协助其他软件:

VESTA可以为其它软件制作运算必须的初始文件,比如可以制作VASP运行所必须的POSCAR原子坐标软件。此外,还可以打开42种类型的文件格式,可以输出15种类型的文件格式,比如cif,pdb等。

3建立晶体结构

VESTA软件的主界面如图7所示,其左面栏的黑色箭头(黄色边框内)代表模型三维空间的立体展现,通过点击黑色箭头,在右方结构模型处移动鼠标可以实现模型的三维旋转;下方的白色箭头可以实现原子的选取;十字标号可以使模型在可视化窗口中进行上下左右的移动。红色边框内的几个标号分别代表两个原子之间的距离、三个原子之间呈现的夹角、平面角和界面之间的夹角(自上而下)。位于界面栏上方的a,b,c和a*,b*和c*(蓝色边框内)则可以直接实现模型在x、y和z轴上面的视角。

图5VESTA的主界面

图5

3.1导入晶体结构文件

下载好的晶体结构文件可以直接采用VESTA打开(图8),VESTA支持非常多的晶体结构文件格式,如:cif,xyz,ins,POSCAR,pdb,cc1,ics等。

3.2手动建模

对于无法下载的晶体结构文件,若能从相关文献中获得晶体结构信息,则可采用手动建模的方式来建立晶体结构。下面以手动建模ZnS晶体为例,已知其晶体结构信息如图9,按照下述步骤展开操作:

图6ZnS的晶体结构参数

图6

步骤1:在菜单栏选择新建晶体结构命令;

步骤2:修改晶体结构名称为ZnS;

步骤3: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;

步骤5:单击OK即可获得如图14所示的晶体结构。

4查看晶体结构信息

4.1查看基本信息

单击文本区域的“Summary”选项即可看到晶体结构的基本信息,如图15所示。

图7查看晶体结构基本信息

图7

4.2查看原子坐标

如图16所示,使用垂直工具栏上的“选择”工具,并选择想查看的原子,然后就能在Output里面获得原子坐标。

图8查看原子坐标

图8

4.3查看原子距离

如图17所示,在垂直工具栏里选择“距离”工具,然后单击想测量的两个原子,随后就能在Output里面获得原子距离。

图9查看原子距离

图9

4.4查看原子夹角,二面角和界面角

以测量原子夹角为例,在垂直工具栏内选择“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,如图18所示。二面角和界面角的测量类似,这里不再叙述。

图10查看原子夹角

图10

本文简要介绍了VESTA软件以及其构建晶体结构的方法,而关于该软件更深入的应用我们将在另一篇推文中进行详细讲解,希望各位持续关注。

5参考文献

[1]K.MommaandF.Izumi,“VESTA3forthree-dimens-ionalvisualizationofcrystal,volumetricandmorphologydata,”J.Appl.Crystallogr.,44,1272–1276(2011).

[2]Wang,T.;Zhao,N.;Shi,C.;Ma,L.;He,F.;He,C.;Li,J.;Liu,E.,InterfaceandDopingEffectsonLiIonStorageBehavi-orofGraphene/Li2O.TheJournalofPhysicalChemistryC2017.