pymatgen：配位几何识别与畸变程度

数出四个近邻，还不能确定它们是否形成四面体；即使键长相同，键角也可能已经变化。ChemEnv把局域环境与理想多面体比较，给出几何类型和连续对称性指标CSM。

本例在鸢算科技集群使用pymatgen2026.9.24实际运行，复用已有VASP计算中的Si、Cu、NaCl和单层hBN几何，不启动新的电子结构计算。另生成4组受控Si应变结构，演示几何形状变化；它们不是重新松弛后的材料结构。

下载结构、完整分析脚本、实际CSV和绘图脚本。

unzip pymatgen-chemenv-wave706-*.zip
cd pymatgen-chemenv
bash results.sh
bash plot.sh

1. 准备软件和结构#

module load pymatgen/2026.9.24
cat inputs/POSCAR-Si

该环境使用Python3.11、NumPy/SciPy以及Matplotlib，不需要为本例重新编译DFT程序。Si输入为：

Si
 1.0000000000000000
     0.0000000000000000    2.7344629562984917    2.7344629562984917
     2.7344629562984917    0.0000000000000000    2.7344629562984917
     2.7344629562984917    2.7344629562984917    0.0000000000000000
 Si 
   2
Direct
  0.0000000000000000  0.0000000000000000 -0.0000000000000000
  0.2500000000000000  0.2500000000000000  0.2500000000000000
Cartesian
  0.0000000000000000  0.0000000000000000  0.0000000000000000
  0.0000000000000000  0.0000000000000000  0.0000000000000000

它是2原子原胞。中心Si的四个近邻包含其他周期映像，不能只看POSCAR文件中还有几个坐标。图中画的是以中心原子为原点的相对近邻坐标，不是把周期映像重复算成新的独立结构。

2. 从结构得到配位环境#

完整脚本已在附件analyze.py。核心步骤如下：

from pymatgen.core import Structure
from pymatgen.analysis.chemenv.coordination_environments.coordination_geometry_finder import LocalGeometryFinder
from pymatgen.analysis.chemenv.coordination_environments.chemenv_strategies import SimplestChemenvStrategy
from pymatgen.analysis.chemenv.coordination_environments.structure_environments import LightStructureEnvironments

s = Structure.from_file('inputs/POSCAR-Si')
finder = LocalGeometryFinder()
finder.setup_structure(s)
environments = finder.compute_structure_environments(
    only_cations=False, only_indices=[0],
    maximum_distance_factor=1.6,
    min_cn=3, max_cn=12,
    additional_conditions=[0], valences='undefined')
strategy = SimplestChemenvStrategy(
    distance_cutoff=1.3, angle_cutoff=0.3,
    additional_condition=0)
light = LightStructureEnvironments.from_structure_environments(
    strategy, environments)
print(light.coordination_environments[0])

only_indices=[0]只分析0号位点；去掉这个限制才会逐位点处理。only_cations=False允许分析元素晶体或阴离子位点。这里additional_condition=0不加阴阳离子成键限制，也不猜测氧化态，适合比较几何；需要化学成键条件时，应另行提供可靠的价态信息。

distance_cutoff=1.3和angle_cutoff=0.3是这个策略的归一化Voronoi距离与角度筛选参数，不是1.3Å和0.3度。不要不看定义就当作普通键长截断。

3. 运行并读取结果#

在新的解压目录执行：

bash run.sh
cat analysis/ChemEnv-coordination.csv
ls cases/Si

输出cases/*/POSCAR、light-environments.json与CSV。原始输入保留在inputs；随包的reference-data是已经实际算出的参考结果。

这些高对称参考结构的CSM均接近数值零。CSM是无量纲形状指标，小值表示更接近相应理想环境；它不是能量、力、配位概率或材料稳定性评分。

4. 二维结构遇到Voronoi错误怎么办#

这个hBN输入的c方向为20Å。默认10Å Voronoi搜索范围只包含共面点，不能建立完整的三维Voronoi构造。本例保留结构和真空层，增加构造搜索范围：

environments = finder.compute_structure_environments(
    only_cations=False, only_indices=[0],
    maximum_distance_factor=1.6,
    min_cn=3, max_cn=12,
    additional_conditions=[0], valences='undefined',
    voronoi_distance_cutoff=25)

这使构造时能看到相邻周期层，随后仍按策略选近邻，最终为面内三配位。没有给坐标加随机噪声，也没有把真空层外的原子当成化学近邻。换真空厚度时应重新检查构造范围和实际输出。

5. 配位数不变，形状能变化吗#

可以。对Si晶胞的Cartesian x方向施加1%、3%、5%、10%的仿射应变，保持分数坐标不变；不再做离子松弛。本次原生分析得到：

这组模型的四条近邻键仍等长，但近邻之间的夹角已分裂，所以四面体形状发生畸变。CSM在这条特定应变路径上增加，并不表示所有复杂变形或随机扰动都必然单调。

脚本还实际比较了整体旋转、均匀放大8%、交换等价Si位点顺序，CSM仍约为0。CSM主要描述形状，不用它代替键长、体积或应变能。

6. 换自己的结构#

先把结构转换为pymatgen支持的文件，再修改Structure.from_file、位点范围和近邻策略。保留元素、坐标和周期映像信息；用输出的近邻向量核对实际选中了哪些原子。

cat reference-data/ChemEnv-neighbor-vectors.csv

对于混合配位、强畸变或无序结构，应比较距离/角度参数的敏感性，并按需要使用多权重策略。这里演示的是固定参数的SimplestChemenvStrategy，不能把一次分类当作唯一化学键定义。

方法及参数说明见pymatgen ChemEnv官方文档与ChemEnv方法论文。近邻数和网络维数的基础操作见局域配位与结构维数。