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

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♦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

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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

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。

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