晶体结构可视化软件VESTA入门教程

电影《功夫》里有段话：少年，我看你骨骼惊奇，是万中无一的武学奇才，维护世界和平就靠你了，我这有本秘籍《如来神掌》，见与你有缘，就十块卖给你了！那么，作为材料人的你是否也想看看自己的材料是否“骨骼惊奇”呢，我这里有晶体结构可视化软件VESTA入门教程，见与你有缘，就分享给你啦，让你也能轻松绘制出如图1所示的漂亮的晶体/材料结构图。

图1 采用Vesta绘制出的材料结构示意图

♦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

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

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。

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)。

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。

图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；

（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。

图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。

图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

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

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

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

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

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

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）。

图18 修改点阵参数

图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。

图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。

（1）真正删除：如图22所示，选中原子序号，点击删除即可。

图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

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

图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。

图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

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。

图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

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：

（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）；

（3）查看与电子结构相关的理论计算结果（图46）；

（4）转化晶体结构文件类型（输出为POSCAR和CIF等类型的文件）

图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，不代表材料人网立场。