VESTA: a Three-Dimensional Visualization System
for Electronic and Structural Analysis
Koichi MOMMA
1
National Museum of Nature and Science,
4-1-1 Amakubo, Tsukuba, Ibaraki 305-0005, Japan
Fujio IZUMI
2
Graduate School of Engineering, Kyoto University
January 27, 2019
1
E-mail: vesta.dev@gmail.com
2
E-mail: zumi3776@gmail.com
Contents
LICENSE AGREEMENT xi
1 INTRODUCTION AND BACKGROUND 1
1.1 Understanding Crystal and Electronic Structures in Three Dimensions . . . . . . 1
1.2 Circumstances behind the Development of VESTA . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 What’s New in VESTA 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Notes on this Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 OVERVIEW OF THE PROGRAM 4
2.1 General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Visualization of Structural Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 A variety of structural information derived on selection of objects . . . . . 9
2.3 Visualization of Volumetric Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Visualization of Crystal Morphologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Cooperation with External Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 Input and Output Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7 Programming Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7.1 Graphical user interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7.2 Core libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 GETTING STARTED 15
3.1 Minimum requirements of hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 macOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4.1 32-bit version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4.2 64-bit version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.5 Trouble Shooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.6 Loading Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 MAIN WINDOW 19
4.1 Components of the Main Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Menus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.1 File menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.2 Edit menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.3 View menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.4 Objects menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.5 Utilities menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
ii
4.2.6 Help menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3 Tools in the Horizontal Toolbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3.1 Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3.2 Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.3 Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.4 Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4 Tools in the Vertical Toolbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.5 Text Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.5.1 Output tab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.5.2 Summary tab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.5.3 Comment tab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 DISPLAY STYLES 27
5.1 Structural Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.1.1 Objects to be displayed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.1.2 Styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2 Volumetric Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.3 Crystal Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.3.1 Styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6 GIVING PHASE DATA 32
6.1 Dening Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2 Symmetry and Unit Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2.1 Crystal systems and space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2.2 Behavior when changing a space-group setting . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2.3 Lattice parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2.4 Customization of symmetry operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2.5 Reducing symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.2.6 Transformation of the unit cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.2.7 Magnetic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.3 Structure Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.3.1 Symbols and Labels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.2 Formal charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.3 Fractional coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3.4 Occupancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3.5 Atomic displacement parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3.6 Importing structure parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3.7 Removing duplicate atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.4 Volumetric Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.4.1 Volumetric data to draw isosurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.4.2 Volumetric data for surface coloring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.5 Crystal Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.5.1 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7 OVERLAYING MULTIPLE DATA 54
7.1 Positioning of Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.2 Relative Orientation of Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.3 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
iii
8 CREATING BONDS AND POLYHEDRA 57
8.1 Specications of Searching for Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.1.1 Search mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.1.2 Boundary mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.1.3 Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.1.4 A pair of atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2 Operating Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2.1 Creating coordination polyhedra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2.2 Searching for molecules and clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.2.3 Applications of the “Search molecules” mode to inorganic crystals . . . . . 60
8.2.4 Searching for hydrogen bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.2.5 Visualizing cage-like structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9 ADDITIONAL OBJECTS 63
9.1 Vectors on Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.1.1 Creation and editing of a vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.1.2 Attachment of vectors to crystallographic sites . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.1.3 Attachment of vectors to individual atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.2 Lattice Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.2.1 Appearance of lattice planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.2.2 Calculate the best plane for selected atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10 DEFINING DRAWING BOUNDARIES AND VIEW DIRECTIONS 69
10.1 Drawing Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
10.1.1 Ranges of fractional coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
10.1.2 Cuto planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
10.2 View Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
10.2.1 Manner of specifying directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
10.2.2 Orientation matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
10.2.3 View direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
10.2.4 Viewing along crystallographic axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
11 INTERACTIVE MANIPULATIONS 73
11.1 Rotate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
11.1.1 Drag mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
11.1.2 Animation mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
11.2 Magnify . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
11.3 Translate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
11.4 Select . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
11.4.1 Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
11.4.2 Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
11.4.3 Coordination polyhedron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
11.5 Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11.6 Bond angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11.7 Dihedral angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
11.8 Interfacial angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
iv
12 PROPERTIES OF OBJECTS 82
12.1 Properties Dialog Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
12.1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
12.1.2 Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
12.1.3 Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
12.1.4 Polyhedra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
12.1.5 Isosurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
12.1.6 Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
12.2 Objects Tab in the Side Panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12.2.1 List of phases and objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12.2.2 Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12.2.3 Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12.2.4 Polyhedra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12.2.5 Slices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
12.2.6 Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
13 OVERALL APPEARANCE 97
13.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
13.2 Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
13.3 Projection Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
13.4 Depth-Cueing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
14 UTILITIES 101
14.1 Equivalent Positions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
14.2 Geometrical Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
14.3 Standardization of Crystal Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
14.4 Niggli-Reduced Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
14.5 Site Potentials and Madelung Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
14.6 Powder Diraction Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
14.7 Structure Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
14.8 Fourier Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
14.9 Model Electron Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
14.10Model Nuclear Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
14.11Patterson Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
14.122D Data Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
14.13Line Prole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
14.14Peak Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
14.15Conversion of Electron Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
15 TWO-DIMENSIONAL DATA DISPLAY 117
15.1 Components of the 2D Data Display Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
15.2 Menus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
15.3 Tools in the Toolbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
15.3.1 Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
15.3.2 Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
15.3.3 Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
15.4 Tools in the Vertical Toolbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
15.5 Create and Edit a 2D Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
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