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1、 晶体结构立体模型建构软件晶体结构立体模型建构软件-Diamond 的使用的使用 吴平伟吴平伟 中国海洋大学材料科学与工程研究院中国海洋大学材料科学与工程研究院 E-mail: 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 晶体结构立体模型建构软件-Diamond 的使用 在使用 Diamond 软件构造晶体模型时，需要知道晶体的结构数据，即晶体的 空间群、晶胞参数和原子坐标。晶体结构数据可以手动输入，也可以直接从晶体 信息文件中获得。我们将通过几个例子来说明软件的使用方法。 一、NaCl 晶体结构模型的构造 下面我们以 NaCl 为例手动输入晶体结构数据。NaCl 晶体的结构数据
2、为：空 间群 Fm-3m(225)；晶胞参数 a=5.64；原子坐标 Na:4a, Cl:4b。我们将通过这个 例子学会如下操作： 1、学会手动输入晶体结构数据； 2、学会晶体模型的构造； 3、学会旋转晶体模型，从不同的角度观察； 4、学会改变背景和原子及晶胞的颜色等参数； 5、学会以一种原子为中心，另一种原子为配位原子构造配位多面体； 6、学会多面体外观的设计。 打开软件，界面如下图所示： 点击“File| New” ，出现一对话窗口，如下图，选择第二个选项，按“OK” 。 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 结果生成一个名字为 Diamond1 的空白的页面，同时弹出一
3、个名字为 New Structure 的对话窗口，点“下一步” ，在新弹出的窗口中确认 Crystal Structure with cell and Spacegroup 被选中，在 Cell length 中输入 5.64，如 下图： 注意 Space group（空间群）后是否我们需要的 NaCl 晶体的空间群 Fm-3m(225)，如果不是，点击 Browse 钮，在弹出的对话窗口中选中 Fm-3m(225)，即在 Fm-3m(225)上点击使其变蓝色，如下图。点“OK” 回到前面的对话窗口。 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 点“下一步” （在出现的如下图的对话
4、框中可以输入原子坐标，即在“Atomic parameters“中输入相应的元素符号和原子坐标值，但我们将在其他的 地方做这个工作） 点“下一步” ，在出现的 Completing the new structure Assistant 窗口中有三个 选项：Start structure picture; Launch the structure picture creation assistant; Create structure picture automaticly。选中 Start structure picture，点击“完 成” 。出现一个名字为 Diamond1Structur
5、e1Picture1 的窗口，我们准备 建造的 NaCl 晶体模型将在这个窗口中显示。接下来输入原子坐标。点 “Structure | Atomic Parameters” ，在弹出的对话窗口中点“Insert” ，在 “Element” 后的下拉选项中选中 Na，（Symbol后输入元素符号，Oxidation 后输入元素的价数，S.O.F是原子的位置占有分数，对NaCl晶体中的 Na和Cl原子来说都是1，因为都是1，所以也可以不输入） ，在 Position 后的下拉选项中选中 4a；按“Append” ，在“Element”后的下拉选项中 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 1
6、4 页 选中 Cl，在 Position 后的下拉选项中选中 4b，如下图。点“确定” 。 点 “Build | Fill | unit cell” ， 将出现NaCl晶体一个晶胞的模型。 点 “Move | Rotate along x/y axis” ，就可以将模型旋转，从不同的角度观察。 但也许你不喜欢背景和原子及晶胞的颜色，Diamond 可以让你设置你自己最 喜欢的颜色。 改变背景设置： 点 “Picture | Layout” ， 在弹出的窗口中点 “Background” ， 在 Background 后的下拉选项中选你喜欢的背景颜色，点“确定”退出对 话窗口回到 Picture
7、1， 可以看到背景已经变成了黑色 （如果点 “Apply now” 则不退出对话窗口但可以看到背景已经变成了黑色） 。 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 改变原字颜色等设置： 点 “Picture | Atom Designs” ， 在弹出的 “Atom Group Designs”窗口中选择相应的原子，点“Style and colors” ，在“Style”后 的 下 拉 选 项 中 可 以 选 不 同 的 原 子 类 型 ， 这 里 我 们 选 “Solid/Empty/Boundary ellipse” ，即实心球，在“Fix”下的“Color”后 选你喜欢的颜色
8、，这里我们选择 Na 为红色，Cl 为绿色。点“Model and Radii” ，可以改变所选原子的模型“Global/Individual”或“Standard(Ball and Stick，即球-棍模型”或其他类型，可以选择不同的模型看看有什么 变化。在“Radii”下的 Radius for the “Standard”后输入原子半径的 值，点“确定” 。 改变晶胞颜色等设置：点“Picture | Cell Edges Design” ，在弹出的“Cell Edges Design”对话窗口中可以设置晶胞的颜色、线形和粗细，还可以 通过选中或不选中“Show the unit cel
9、l axis a, b, c”可以显示不不显示晶 胞中的 a, b, c 轴。如果此时并不知道轴的对应关系，点“Objects | Coordinate System” ，在弹出的“Coordinate System”对话窗口中选中 “Display Coordinate System” ，改变颜色和字体，这里我们选择黑色， 字体选择默认值。点“OK” 。 对于NaCl晶体，我们常看到的描述为：Cl-离子形成立方最紧密堆积，Na+离 子占据Cl-离子所形成的立方最紧密堆积中所有的八面体空位，每个八面体所有 棱都被其他八面体共用。下面我们将建造这样的八面体模型。 在前面已经建造的NaCl晶体一个
10、晶胞的模型的基础上，点“Build | Polyhedra | Add Polyhedra” ，出现“Add Polyhedra”对话窗口，在“Central atom groups”下选中“Na” ，即以Na+离子作为配位多面体的中心原子；在 “Ligand atom groups”下选中“Cl” ，即以Cl-离子作为配位多面体的配 位原子。确认“Fixed”已经被选中，其后面的“Rmin”和“Rmax” 分别是形成配位多面体时离中心原子周围最近和最远的配位原子的距 离（因为配位多面体不总是正多边形） ，这里取默认值即可。设置这个 距离还有另外一种办法，我们将在后面的例子中使用。 中国海洋大
11、学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 点“Design” ，出现“Polyhedra Design”对话窗口，点“Style and colors” 可以设置多面体面的颜色、边的颜色、透明度等；点“Others” ， “Ligand atom reducing”后面的数值可以使配位原子的半径比形成多面体前设置 的值缩小（1） 。点“OK”就得到了我们需 要的配位多面体。 如果我们想只画出一个Na+离子周围的配位离子形成的多面体， 点 “Move | No tracking” ， 移动鼠标在目标Na+离子上单击左键， 使得该离子被选中， 即该离子周围出现一个方框。点“Build | Po
12、lyhedra | Add Polyhedra” ，出 现“Add Polyhedra”对话窗口，此时“Central atom groups”下不可选， 因为已经选中了中心原子；在“Ligand atom groups”下选中“Cl” ，如 下图。 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 点“OK” ，就会发现只有一个多面体被做出来。但此时该中心离子仍处 于选中状态，可以按“Esc”键或在“Move | No tracking”状态下在任何 空白的地方单击鼠标左键即可。点“File| Save as | Save Document as”或 “File| Save as |
13、Save Structure as”可以将建造的晶体结构模型保存成 Diamond 3 document (*.diamdoc)文件或其他形式的文件，但对 Demo 版（即演示版）不能保 存成此形式。点“File| Save as | Save Graphics as”可以将所做的模型以数种图片 文件格式保存，如.bmp、.jpg 等格式。 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 二、c60 晶体结构模型和分子模型的构造 通过这个例子我们将学会如下操作： 1、从“.CIF”格式文件（晶体信息文件）中获得晶体结构数据； 2、利用 c60 晶体结构数据构造一个 c60 分子模型；
14、3、“Add atoms”工具的应用； 4、通过插入“dummy”原子辅助构造多面体； 5、原子间距离的测定； 6、学会设置键的线型、颜色和粗细。 打开软件，点“File | Open” ，找到安装软件的目录，比如“C:Program FilesDiamond” ， 打开 “Tutorial” 文件夹， 保证文件类型为 “All Files(*.*)” 或 “CIF(*.CIF)” ， 双击名为 “c60” 的文件。 弹出名为 “File Import Assistant” 的窗口，点击“下一步” ，在弹出的“File Format”窗口中保证 File 后面 为“Crystallograph
15、ic Information File(CIF)” ，点击“下一步” ，在弹出的 “Picture Creation”窗口中 If the dataset is a crystal 后面下拉选项中选中 “Create a blank picture” ，点击“下一步” ，在弹出的窗口中点“完成” 。 出现一个“c60S1252286picture1”空白窗口，此时观察右边的“Data brief” 窗口， c60 的晶体结构数据已经存在了。 点 “Build | Fill | unit cell” ， 将出现 c60 晶体一个晶胞的模型。 我们知道，c60 是一个由 60 个 c 原子形成的分
16、子，下面我们利用 c60 晶体结 构数据得到 c60 分子。点“Build | Connect Atoms” ，可以看到相邻的 c 原子都被连接起来，但并没有一个完整的 c60 分子，点名为“Complete Fragments”的按钮，可以看到晶胞外也出现了原子而且都被连接起来形 成了完整的 c60 分子。从中我们可以看到 c60 分子堆积成了立方面心结 构。 （如果看不到连接原子的键，可以点“Picture | Bond Design” ，在出 现的“Bond Group Designs”窗口中可以选择“c-c”键的线型、颜色和 粗细，如下图） 中国海洋大学 材料科学与工程研究院 第页 共 14 页 我们也
