晶體結構可視化軟件VESTA入門教程

電影《功夫》里有段話：少年，我看你骨骼驚奇，是萬中無一的武學奇才，維護世界和平就靠你了，我這有本秘籍《如來神掌》，見與你有緣，就十塊賣給你了！那么，作為材料人的你是否也想看看自己的材料是否“骨骼驚奇”呢，我這里有晶體結構可視化軟件VESTA入門教程，見與你有緣，就分享給你啦，讓你也能輕松繪制出如圖1所示的漂亮的晶體/材料結構圖。

圖1?采用Vesta繪制出的材料結構示意圖

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?目錄

1 軟件介紹

2 建立晶體結構

2.1 導入晶體結構文件

2.2 手動建模

3 查看晶體結構信息

3.1 查看基本信息

3.2 查看原子坐標

3.3 查看原子距離

3.4 查看原子夾角，二面角和界面角

4 調整晶體結構

4.1 調整晶胞參數

4.2 降低晶體對稱性

4.3 增加原子和調整原子位置

4.4 刪除原子

4.5 構建超晶胞

5 美化晶體結構

5.1 修改總體外觀

5.2 修改晶體結構顯示方式

5.3 調整原子、鍵和多面體等顯示特性

5.4 顯示晶面

6 輸出圖片或數據

7 其他功能

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1 軟件介紹

VESTA（Visualization for Electronic and STructural Analysis）是由日本國立科學博物館的Koichi MOMMA和京都大學的Fujio IZUMI開發出的一款用于晶體結構和電子結構可視化的專業軟件。VESTA功能十分強大，它可以非常簡單地實現晶體結構建模、查看結構信息、調整晶體結構參數和顯示外觀，輸出圖片或轉換數據格式等一系列功能。

VESTA是一款免費的軟件，你可以在學術、科學、教育及非商業應用中盡情使用，但最好在發表時引用下面這個參考文獻：K. Momma and F. Izumi, “VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data,” J. Appl. Crystallogr., 44, 1272–1276 (2011)。

VESTA十分小巧，僅有60 MB，下載后無需安裝，解壓即可使用（下載鏈接：http://jp-minerals.org/vesta/en/download.html）。除了可以在Windows系統下使用，它也可以在MacOS和Linux上使用。自2017正式推出至今，它經歷了1.x、2.x、3.x等幾代產品，其功能也在不斷完善，最新的版本是VESTA 3.4.8。

圖2?VESTA官網

VESTA界面比較簡潔（如圖3），主要由以下幾個部分組成：

（1）菜單欄；

（2）水平工具欄：主要有選擇查看角度，移動，旋轉等功能；

（3）垂直工具欄：主要由旋轉，選擇，移動，放大，測量角度和距離等功能。

（4）副面板：快速調整晶體結構；

（5）繪圖窗口：可同時打開多個窗口；

（6）文本區域：顯示結構圖的各類信息以及當前選中的對象；

圖3 VESTA的界面

2 建立晶體結構

2.1 導入晶體結構文件

將下載好的晶體結構文件直接采用VESTA打開即可（圖4），VESTA支持非常多的晶體結構文件格式，如：cif，xyz，ins，POSCAR，pdb，cc1，ics等。

圖4 采用VESTA打開cif文件即可導入晶體結構

2.2 手動建模

如果我們無法下載到晶體結構文件，但能從一些文獻中獲得晶體結構信息，那可以采用手動建模的方式建立晶體結構。下面以手動建模ZnS晶體為例，已知其晶體結構信息如圖5。

圖5 ZnS的晶體結構參數

步驟1：在菜單欄選擇新建晶體結構命令，如圖6所示；

圖6 新建晶體結構

步驟2：修改晶體結構名稱為ZnS，如圖7所示；

圖7 修改名稱

步驟3：選擇對稱性信息并輸入點陣參數，如圖8所示；

圖8?選擇對稱性信息并輸入點陣參數

步驟4：按照文獻中的數據輸入Zn和S原子的信息，如圖9所示；

圖9?輸入原子信息

步驟5：單擊OK即可獲得如圖10所示的晶體結構。

圖10 手動繪制的ZnS晶體結構

3 查看晶體結構信息

3.1 查看基本信息

如圖11所示，在文本區域單擊“Summary”即可看到晶體結構的基本信息。

圖11 查看晶體結構基本信息

3.2 查看原子坐標

如圖12，使用垂直工具欄上的“選擇”工具，選擇你想查看的原子，然后就能在Output里面獲得原子坐標。（提示：在原子的右上角單擊更容易選擇上該原子）

圖12 查看原子坐標

3.3 查看原子距離

如圖13，選擇“距離”工具，然后單擊你想測量的兩個原子，隨后就能在Output里面獲得原子距離。

圖13 查看原子距離

3.4 查看原子夾角，二面角和界面角

以測量原子夾角為例（圖14），選擇“角度”工具，然后依次選擇三個原子，隨后就能在Output里面獲得原子夾角。二面角和界面角的測量類似，這里不再敘述。

圖14 查看原子夾角

4 調整晶體結構

4.1 調整晶胞參數

如圖15所示，依次選擇“Edit → Edit Data → Unite Cell”就可以打開“Edit?Data”界面（圖16），在圖16紅圈所示地方就可以對晶胞參數進行調整。這里只能對晶胞長度a進行調整，因為該例中ZnS是立方結構。

圖15 打開Unite Cell頁面

圖16 調整晶胞參數

4.2 降低晶體對稱性

有時候為了方便對晶體結構進行修改，我們需要降低晶體的對稱性至“P1”。從4.1中的圖15和圖16可以看出，由于對稱性的存在，Zn和S原子只有一個等效位點且有些晶體點陣參數不能修改。為此，我們可以按照圖17的方式通過“Remove?symmetry”來去除晶體對稱性。

圖17 降低晶體對稱性

可以看到，點陣參數都可以修改了（圖18）且原子等效位置種類也大大增加了（圖19）。

圖18 修改點陣參數

圖19 原子等效位置

4.3 增加原子和調整原子位置

增加原子操作是在“Edit?Data”選項卡中的“Structure?parameters”頁面進行的，如圖20所示，單擊“New”并輸入原子參數就可增加原子，結果如圖21所示。如果先選中已有的原子，則可以對原子位置進行調整。

圖20 增加原子

圖21 增加一個綠色的Li原子

4.4 刪除原子

VESTA刪除原子分為兩種，一種是真正意義上的刪除；另一種只是表觀刪除，只是不讓原子顯示出來。

（1）真正刪除：如圖22所示，選中原子序號，點擊刪除即可。

圖22 真正刪除原子

（2）表觀刪除：如圖23，選中原子，按下Delete即可。此時原子僅僅不顯示，進入“Edit?Data”選項卡中的“Structure?parameters”頁面可以發現原子還是存在的（圖24），再次點擊Appy就可以重新顯示出來。

圖23 表觀刪除原子

圖24 查看原子信息

4.5 構建超晶胞

（1）如圖25所示，在“Edit?Data”選項卡中的“Unit?Cell”頁面單擊“Transform”；

圖25 選擇Transform

（2）如圖26，在打開的界面中輸入轉換矩陣（這里表示“b軸×2”），并在兩次彈出的對話框內連續選擇是（這里沒有顯示這些對話框），最后單擊“OK”；

圖26 輸入轉換矩陣

（3）系統自動回到如圖27的界面，然后點擊“Apply”即可，就可得到如圖28所示的結果；

圖27 最后點擊應用

圖28 構建好的超晶胞

5?美化晶體結構

5.1 修改總體外觀

如圖29，通過“View”→“Overall?Appearance”即可打開如圖30所示的總體外觀調整界面，在這里我們可以對繪圖窗口圖形的總體外觀進行調整，包括背景顏色，投影方式，深度效果等重要參數。

圖29 打開總體外觀

圖30 總體外觀調整界面

5.2 修改晶體結構顯示方式

如圖31，我們可以在副面板中通過Style來改變晶體結構的顯示方式，總共有五種類型（圖32）。

圖31 調整晶體結構顯示方式

圖32 五種晶體結構顯示方式

5.3 調整原子、鍵和多面體等顯示特性

晶體結構中的晶胞邊框、原子大小與顏色、鍵和多面體等顯示特性都可以在“Properties”界面中進行調整（圖33），我們可以在副面板中單擊“Properties”來調出它（圖34）。

圖33 Properties界面

圖34 Properties界面的打開方法

（1）調整晶胞邊框和坐標軸

如圖35所示，在“General”頁面，我們可以輕易地調整是否顯示晶胞邊框，線框類型，粗細以及顏色。與此同時，我們也可以調整是否顯示坐標軸及坐標軸標簽（圖36）。

圖35 在General頁面調整晶胞邊框和坐標軸

圖36 調整晶胞邊框和坐標軸前后對比圖

（2）調整原子大小和原色

如圖37，在Atoms頁面，我們就可以對原子的大小和顏色等各種性質進行調整。

圖37 調整原子的大小和顏色

（3）調整鍵的顯示

如圖38，在Bonds頁面，我們可以對鍵的各種顯示方式進行調整，包括單顏色，雙顏色，漸變線，虛線等各種類型。

圖38 調整鍵的顯示方式

需要注意的是，在對“鍵”的顯示類型進行調整前必須要存在鍵才行，如果原子之間不存在鍵，可以按照圖39和40建立鍵。

圖39 打開“Bonds”界面的方法

圖40 在“Bonds”界面中新建Zn-S鍵

5.4 顯示晶面

首先通過“Edit”→“Lattice?Planes”打開編輯晶面的界面（圖41），然后按照如圖42所示，通過新建晶面來顯示晶面。

圖41 打開編輯晶面的方式

圖42 新建晶面

6 輸出圖片或數據

在我們建立、修改并美化好晶體結構之后，我們就可以按照圖43的方式將結果輸出，除了可以將結果保存為各種數據文件之外，最重要的是將其保存為圖片。VESTA軟件繪制的圖形既可以保存為“位圖”也可以保存為“矢量圖”，一般我們是選擇保存為“位圖”。

圖43 將結果輸出為數據文件或圖片

在保存為位圖輸出圖片的時候，我們還需要填寫一個“Scale”因子（圖44），這個因子越大，輸出的圖片也越清晰，一般情況下我們使用3就可以了。

圖44 調整Scale因子

7 其他功能

除了廣泛地用來顯示材料的晶體結構，VESTA還可以用來進行以下工作：

（1）進行簡單的理論計算相關的晶體結構建模；

（2）獲得理論XRD譜圖（圖45）；

（3）查看與電子結構相關的理論計算結果（圖46）；

（4）轉化晶體結構文件類型（輸出為POSCAR和CIF等類型的文件）

圖45 獲得理論XRD譜圖

圖46 查看電子結構圖

注：本文是作者根據個人經驗總結而得，作者已盡力查找資料以避免可能的錯誤或誤導，如有差錯，歡迎大家在評論區留言指正，多多交流。

本文由王老師供稿。

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