JPH07131083A - 空間群決定方法 - Google Patents

空間群決定方法

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JPH07131083A
JPH07131083A JP5271501A JP27150193A JPH07131083A JP H07131083 A JPH07131083 A JP H07131083A JP 5271501 A JP5271501 A JP 5271501A JP 27150193 A JP27150193 A JP 27150193A JP H07131083 A JPH07131083 A JP H07131083A
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crystal structure
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atom
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Tatsuya Ito
辰也 伊藤
Masato Kawai
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Yoshihito Yasukawa
善仁 安川
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 結晶構造の空間群の決定作業を効率良く行え
るようにする。 【構成】 先ず、入力された今回対象となる結晶に関す
る対象結晶構造データを読み取り、メモリ領域3内に予
め格納されている格子定数等の条件に応じて晶系に分類
された結晶構造データとを比較することにより、対象結
晶が属する晶系を決定する。次に、決定した晶系に含ま
れる空間群を、メモリ領域4から抽出することにより、
複数の空間群を求め、順次パッキング処理を行う(ステ
ップS102)。その演算操作によって各原子の等価位
置を求める。続いて、ステップS103において、上記
のパッキング処理によって得られた複数の結晶構造と対
象結晶構造とを比較し、両者が一致する結晶構造を持つ
とき当該空間群を対象結晶構造の空間群として決定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は結晶構造の持つ空間群を
決定する空間群決定方法に関する。超伝導材料、半導体
などの機能性材料の設計においては、先ず原子レベルで
結晶構造をモデリングし、その結晶構造データを抽出す
るという作業が不可欠である。特に、結晶構造データと
して最も重要な要素である空間群を高速に決定すること
が、作業の効率化を図る上で大きなウエイトを占めてお
り、空間群を高速に決定する手法の開発が待望されてい
る。
【0002】
【従来の技術】従来から、結晶構造のモデリングは、立
体プラスチックモデルによる組み立て、及びその構造の
トレースといった作業形態で行われている。このため、
これらの仮想結晶構造からの空間群の決定も、机上での
手作業が中心となって行われている。
【0003】また、近年、有機材料の設計においては、
孤立分子系を基にした分子設計支援システムが開発され
ているが、その分子設計支援システムは、超伝導物質な
どの無機材料の結晶レベル(集団分子系)での取扱いに
は適用されず、それらの複雑な機能特性の解明には、や
はり手作業によるプラスチックモデルが用いられてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように、現状で
は、結晶構造の空間群決定を手作業に依存せざるを得
ず、その空間群決定に至るまでの作業は、非常に時間の
かかる非効率的なものとなっている。
【0005】また、プラスチックモデルによる組み立て
では、複雑な空間配置の結晶構造を実現しにくいし、対
称性の高い複雑な結晶構造を実現する場合には、データ
の欠如といった人為的ミスを起こしやすい等の問題点も
抱えている。
【0006】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、空間群の決定作業を効率良く行うことができ
る空間群決定方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理図で
ある。本発明の空間群決定方法では、先ずステップS1
01において、対象結晶構造に対してその対象結晶構造
が属する晶系を決定する。次に、決定した晶系に含まれ
る空間群を検索し、その結果得られた複数の空間群で順
次パッキング処理を行う(ステップS102)。そし
て、パッキング処理によって得られた複数の結晶構造と
対象結晶構造とを比較し、両者が一致する結晶構造を持
つとき当該空間群を対象結晶構造の空間群として決定す
る(ステップS103)。
【0008】
【作用】対象とする結晶の結晶構造データを基にして、
その結晶構造が属する晶系を決定する(ステップS10
1)。次に、ステップS101において決定した晶系に
含まれる空間群を空間群データから検索することによ
り、複数の空間群を求め、その空間群で順次パッキング
処理を行う(ステップS102)。このパッキング処理
においては、例えば、晶系に含まれるそれぞれの空間群
に対応するマトリックスを用いて対象結晶構造を構成す
る各原子の格子座標に対して演算操作が行われ、それに
よって各原子の等価位置が求められる。続いて、ステッ
プS103において、パッキング処理によって得られた
複数の結晶構造と対象結晶構造とを比較し、両者が一致
する結晶構造を持つとき当該空間群を対象結晶構造の空
間群として決定する。
【0009】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。先ず、本発明における処理手順を図1を用いて
説明する。図において、メモリ領域3及び4は、例えば
ハードディスクのような外部記憶装置であり、メモリ領
域3には、格子定数、原子名、格子座標等の結晶構造デ
ータが格納され、メモリ領域4には、空間群名、対称要
素、後述するパッキング処理用マトリックス等の空間群
データが格納されている。
【0010】先ずステップS101において、入力され
た今回対象となる結晶に関する対象結晶構造データを読
み取る。この対象結晶構造データは、その対象結晶を構
成する各原子の格子定数や格子座標等から成る。その対
象結晶構造データと、メモリ領域3内に予め格納されて
いる格子定数等の条件に応じて晶系に分類された結晶構
造データ(図3)とを比較することにより、対象結晶が
属する晶系を決定する。この晶系決定については、図2
及び図3を用いて後述する。また、入力された対象結晶
構造データから生成した結晶構造を、図1に示すよう
に、ディスプレイ5の右側に表示する。
【0011】次に、ステップS101で決定した晶系に
含まれる空間群を、メモリ領域4から抽出することによ
り、複数の空間群を求め、その空間群で順次パッキング
処理を行う(ステップS102)。すなわち、求めた空
間群に対応するマトリックスを用いて対象結晶構造を構
成する各原子の格子座標に対して演算操作を行い、その
演算操作によって各原子の等価位置を求める。その詳細
は後述する。
【0012】続いて、ステップS103において、上記
のパッキング処理によって得られた複数の結晶構造と対
象結晶構造とを比較し、両者が一致する結晶構造を持つ
とき当該空間群を対象結晶構造の空間群として決定す
る。その詳細は後述する。決定した空間群に関するデー
タは、ディスプレイ5の左側に表示される。
【0013】図2は結晶構造データの単位格子を定義す
るための図である。結晶構造データの基本となる単位格
子は、その体積内に原子(atom)を含み、図に示すよう
なx,y,zの3軸を有する幾何学的な6面体により定
義される。この幾何学6面体は、軸方向の長さ要素であ
るa、b、cと、軸同士の挟む角度を表すα、β、γの
6つのパラメータから成る格子定数により定義される。
【0014】図3は晶系の分類を示す図である。結晶構
造は、図2に示した格子定数の数値に応じて特徴付けら
れ、図3に示すような7種類の晶系に分類される。各晶
系は、複数の空間群を持ち、それぞれの空間群には対応
するマトリックスが定義されている。例えば、立方晶系
(Cubic )は、No.195〜No.230の空間群を
持ち、そのNo.195〜No.230の空間群に対応
して1284個のマトリックスが定義されている。
【0015】晶系は、対称性の高いもの程、すなわち図
の上段の立方晶系(Cubic )側に行く程条件に課せられ
た制約はきつくなっている。また、その結晶構造が属す
る晶系は一般的に複数存在するが、対称性の高いものを
選ぶ必要がある。そこで、本実施例では、結晶構造の格
子定数を、対称性の高い晶系から順番に比較していき、
最初に条件が一致したものを求める晶系とする。
【0016】この手順に従って晶系の判定を行うことに
より、検索件数の絞り込みが行え、晶系判定の高速化が
可能になる。なお、図3に示した基礎データ(結晶構造
データ)は、予めメモリ領域3に格納されており、上述
したように、晶系判定時に読み取って使用される。
【0017】次に、上記のパッキング処理及び空間群決
定の具体的手順を図4〜図9を用いて説明する。図4は
今回対象とする結晶の構造を示す図である。この結晶1
0は、2つの炭素原子10a1 及び10a2 から成る。
原子10a1 の原子名を「C1」、原子10a2 の原子
名を「C2」とする。
【0018】図5は図4に示した結晶10の入力データ
を示す図である。図において、a、b、c、α、β及び
γは格子定数を、A1 は原子10a1 (C1)の格子座
標を、A2 は原子10a2 (C2)の格子座標を、また
Lは原子数をそれぞれ示している。この結晶10の入力
データは、予め作成されて所定のメモリ領域に格納され
る。
【0019】パッキング処理においては、上述したよう
に、先ず図5の入力データを基にして、結晶10が属す
る晶系を図3を用いて判定する。この晶系判定は、対称
性の高い晶系から順に行われるが、ここでは、軸方向の
長さ要素であるa、b、cの間ではa≠b≠cが、また
軸同士の挟む角度を表す回転角を表すα、β、γの間で
はα≠β≠γ≠90°が成立しているので、晶系は最も
対称性の低い三斜晶系(Triclinic )となる。そこで、
結晶10は三斜晶系であると判定し、続いてその三斜晶
系に含まれる空間群でパッキング処理を行う。
【0020】ここで、図6及び図7を用いて空間群対応
のマトリックスについて説明する。図6は晶系毎の空間
群とその分類記号の一部を抜粋した図である。空間群を
ヘルマン−モーガンの記号を用いて分類表示すると、図
に示すようになる。なお、晶系毎の空間群の数が図の右
欄に記載されている。各空間群には、マトリックスが対
応して定義されている。そのマトリックス数は、分類記
号の後のかっこ内に表示されている。例えば、図6にお
いて、空間群No.4の空間群はヘルマン−モーガン記
号でP21とP21$の2種類であり、P21には2個
のマトリックスが、P21$にも2個のマトリックスが
それぞれ定義されている。
【0021】図7はNo.4〜No.1の空間群に対応
するマトリックスを示す図である。今回対象とする結晶
10は、上述したように、三斜晶系であると判定されて
おり、その三斜晶系の空間群は図3に示したようにN
o.2とNo.1である。したがって、今回対象とする
結晶の空間群分類記号は、図6からP1 とP1-である。
なお、P1-の−印は回反軸を表す。この空間群P1-に対
応して、図7に示すように2個のマトリックスが定義さ
れ、また空間群P1 に対応して1個のマトリックスが定
義されている。なお、図7に示すような空間群及びその
空間群に対応するマトリックスのデータは、上述したよ
うに、メモリ領域4に格納されている。
【0022】図7に示すような空間群データから、今回
対象とする結晶の空間群に対応するマトリックスを抽出
した結果を図8に示す。パッキング処理は、これらのP
1-によるマトリックスM1 、M2 、及びP1 によるマト
リックスM1 を用いて行われる。すなわち、図5の入力
データの内、格子座標A1 及びA2 に対してこれらのマ
トリックスを用いて演算処理をし対称操作を行う。この
対称操作によって、原子10a1 及び10a2 の等価位
置座標が求まる。
【0023】図9はパッキング処理の一過程を示す図で
ある。図において、第1の空間群P1-によるX1 ′=
[A1 ′ A2 ′]は、マトリックスM1 を用いた演算
結果であり、X2 ′=[A1 ′ A2 ′]は、マトリッ
クスM2 を用いた演算結果である。第2の空間群P1 に
よるX1 ′=[A1 ′ A2 ′]は、マトリックスM1
を用いた演算結果である。なお、A1 ′、A2 ′は、原
子10a1 (C1)及び10a2 (C2)の等価位置座
標となる。ここで、第1の空間群P1-におけるマトリッ
クスM1 を用いたときの演算結果X1 ′と、マトリック
スM2 を用いたときの演算結果X2 ′において、等価位
置座標A1 ′と等価位置座標A2 ′とではその座標が互
いに逆になっているが、この場合の原子10a1 と原子
10a2 は双方とも「C」(炭素)であり同一原子であ
るから、結局M1 を用いたときの演算結果X1 ′とM2
をもちいたときの演算結果X2 ′とは重複したものとな
る。この重複を避けるために、M2 を用いたときの演算
結果をキャンセルし、後述する原子リストに登録しな
い。このようにして得られたパッキング演算結果の最終
的な結果を図10に示す。
【0024】空間群決定は、この最終的なパッキング処
理結果を用いて行う。すなわち、図5の入力データと図
10のパッキング処理結果とを照合させて、原子数、格
子座標及び原子名が一致するか否かを比較検討する。こ
こでは、P1-、P1 の双方とも、原子数、格子座標及び
原子名が入力データと一致する。そこで、空間群P1-、
及び空間群P1 の双方とも、結晶10の持つ空間群であ
ると決定する。この空間群決定の結果は、前述したよう
にディスプレイ5に表示される。図11にその表示内容
を示す。
【0025】図12、図13及び図14は、上記パッキ
ング処理及び空間群決定処理を実行するためのフローチ
ャートである。図12は全体の処理を、図13はパッキ
ング処理を、図14は空間群決定の処理をそれぞれ示
す。図において、Sに続く数値はステップ番号を示す。 〔S1〕対象結晶構造データを入力する。上記の例で
は、図5に示した結晶10の入力データを読み取る。 〔S2〕メモリ領域3の結晶構造データを用いて晶系の
判定を行う。晶系の判定は、メモリ領域3に格納された
晶系に関するデータ(図3)を対称性の高い方から検索
することによって行われる。図5に示した結晶10の入
力データの場合は、a≠b≠cの関係から 図3の晶系
〜は除かれ、またα≠β≠γの関係から及びが
除かれるので、結晶10は三斜晶系であると判定する。 〔S3〕メモリ領域4に格納されている空間群データか
ら、該当する晶系(図5の場合は三斜晶系)に含まれる
空間群(P1 、P1-)に対応するマトリックスを読み出
す。 〔S4〕i番目の空間群に属する全マトリックス(P1-
のM1 ,M2 、P1 のM 1 )を設定する。 〔S5〕i番目の空間群に対応するマトリックスを用い
てパッキング処理を行う。その詳細は図13を用いて後
述する。 〔S6〕パッキング処理後の原子数に増減があるか否か
の判別を行う。すなわち、入力データの原子数L(図5
では原子10a1 と原子10a2 の2個)とパッキング
処理の結果得られた原子リスト数L1 (図9における演
算結果X1 ′、X 2 ′等の総数)とが等しいか否かを判
別する。等しければステップS7に進み、そうでなけれ
ばステップS10にスキップする。 〔S7〕原子リストの比較処理(空間群決定のための比
較処理)、すなわち入力データとパッキング処理結果を
照合させて、原子名及び等価位置座標(格子座標)の判
定を行う。その詳細は図14を用いて後述する。 〔S8〕フラグFLGが0であるか否かを判別する。0
であればステップS8に進み、そうでなければステップ
S9にスキップする。なお、このフラグFLG=0は図
14のステップS75において、原子リストの比較処理
が正常に終了したときに設定される。 〔S9〕原子リストの比較処理が正常に行われており、
そのときの等価位置座標を空間群候補リストに追加す
る。 〔S10〕すべての空間群(m個)についてパッキング
処理を行ったか否かを判別する。すべての空間群につい
てパッキング処理を完了したときはステップS11に進
む。未完了のときはステップS4に戻る。 〔S11〕空間群候補リストを出力しディスプレイ5に
表示する(図11)。
【0026】次に図13を用いてステップS5のパッキ
ング処理を説明する。 〔S51〕空間群対応のマトリックスMについてk=1
を初期セットする。 〔S52〕マトリックスMk を用い、次式(1)に従っ
て対象結晶の全格子座標Xに対する等価位置座標Xk
を計算する。
【0027】Xk ′=Mk ・X ・・・・・(1) ここで、Xは全格子座標(4行L列)マトリックス、X
k ′はマトリックスM k による等価位置座標、Mk は4
行4列の正方マトリックスである。 〔S53〕算出した等価位置座標がそれまでに算出した
等価位置座標に重複しているかどうかを判別する。すな
わち、次式(2)の判別式を用いて求めた等価位置座標
を総当たりで判別する。
【0028】 Xk ′≠Xko′(ko=1〜k) ・・・・・(2) 〔S54〕判別式(2)で不一致と判別された等価位置
座標のみ、原子リストに追加登録する。 〔S55〕原子リストを出力する。
【0029】次に図14を用いてステップS7の原子リ
スト比較処理を説明する。この図で用いる記号について
説明する。英小文字のjは格子座標の指定パラメータで
あり、英字Lは格子座標ほ原子数を示している。また、
英小文字のiは算出された等価位置座標の指定パラメー
タであり、英字L1 は等価位置座標の原子リスト数を示
している。 〔S72〕の処理は、指定パラメータj番目の入力原子
の格子座標位置に指定パラメータi番目の等価位置原子
が存在し、且つその両者の原子名が一致しているかを判
断するステップであり、 〔S73〕の処理は、両者が一致している旨をフラグで
セットするステップである。
【0030】上記処理ステップS71〜S73のパラメ
ータについては、指定パラメータjを1からL迄で1歩
進で行うことにより、全入力原子の格子座標について判
断対象にするように制御し、等価位置座標については、
入力原子の格子座標毎に指定パラメータiを1からL1
迄で1歩進で行い、その過程で等価位置座標の原子の中
に一致するものがあった場合と、最後まで一致しない場
合を制御している。 〔S74〕の処理は、入力原子の格子座標のすべて(j
を1からL迄で1歩進)と、等価位置原子のすべて(j
を1からL1 迄で1歩進)についてフラグがセットされ
ているかを判別するステップである。 〔S75〕フラグFLG=0を出力する。 〔S76〕フラグFLG=1を出力する。
【0031】次に、上記の空間群決定手法を用いて結晶
の構造解析を行った例を図15〜図20に基づいて順に
説明する。ここで、構造解析の対象となる結晶をLaG
dSrCuO4 とする。このようなペロブスカイト類似
銅酸化物超伝導物質を探究する場合は、部分構造を積層
させてその物質に特徴的な層構造を把握することによ
り、新しい物質を探究する手法が有効であり、以下にそ
の手法に従って対象結晶の構造解析を行う。
【0032】図15は積層する結晶構造を示す図であ
る。図において、結晶構造Aは、LaSrCuO4 であ
り、CuO2 面を挟んで岩塩型構造のLa2 2 層を持
つ。この結晶構造Aを積層する部分構造として予め保存
しておく。
【0033】図16は積層する結晶構造を示す図であ
る。図において、結晶構造Bは、Nd 2 CuO4 であ
り、CuO2 面を挟んで蛍石型構造のNd2 2 層を持
つ。この結晶構造Bを積層する部分構造として予め保存
しておく。
【0034】LaGdSrCuO4 は、結晶構造Aと結
晶構造Bを交互に積み重ねて合成されることが期待され
る。その合成した仮想的な結晶構造Cを図17に示す。
この結晶構造AとBの合成は、例えば積層元の原子の座
標を積層先の原子の座標に変換する変換係数を求め、そ
の変換係数を基に原子の座標を変換する方法を用いて行
われる。図17の仮想的な結晶構造Cでは、単位格子の
原点位置がしばしば問題となるため、原点位置の移動を
行う。この原点の移動を行ったときの結晶構造Dを図1
8に示す。
【0035】ここで、前述した本発明によるパッキング
処理及び空間群決定手順を用いて、図18に示した結晶
構造Dの空間群を求める。その結果、結晶構造Dの持つ
空間群は、図19に示すような2つの空間群、P4/N
$とP4/NMM$であると決定される。結晶構造Dの
空間群が決まれば、格子座標から等価点の格子座標を削
除して非対称単位11を求めることができる。その非対
称単位11で表した結晶構造D1 を図20に示す。この
非対称単位11が分かると、その対称性を用いてコンピ
ュータによるX線回折パターンの計算が可能になる。
【0036】この計算による回折パターンと、実際のX
線による回折パターンとを比較することにより、対象と
するLaGdSrCuO4 の結晶構造を、より高精度に
解析することができる。また、計算によって回折パター
ンが求まるようになるので、複雑な結晶構造であって
も、その解析を容易に行うことができる。
【0037】以上説明したように、本実施例では、パッ
キング処理及び空間群決定手順を用いて空間群を自動的
に抽出するようにした。このため、プラスティックモデ
ルを用いたり、机上で計算して試行錯誤の末得られてい
た空間群を、高速にかつ効率良く求めることができる。
また、対称性の高い結晶構造の空間群を決定する場合で
も、人為的なミスが発生する余地は無くなり、空間群を
高い信頼性で決定することができる。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、パッキ
ング処理によって得られた複数の結晶構造と対象結晶構
造とを比較し、両者が一致する結晶構造を持つとき当該
空間群を対象結晶構造の空間群として決定するように構
成した。このため、プラスティックモデルを用いたり、
机上で計算して試行錯誤の末得られていた空間群を、高
速にかつ効率良く求めることができる。
【0039】また、対称性の高い結晶構造の空間群を決
定する場合でも、人為的なミスが発生する余地は無くな
り、空間群を高い信頼性で決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理図である。
【図2】結晶構造データの単位格子を定義するための図
である。
【図3】晶系の分類を示す図である。
【図4】対象とする結晶の構造を示す図である。
【図5】対象結晶の入力データを示す図である。
【図6】晶系毎の空間群とその分類記号の抜粋を示す図
である。
【図7】空間群対応のマトリックスの抜粋を示す図であ
る。
【図8】三斜晶系の空間群に対応するマトリックスを示
す図である。
【図9】パッキング処理の一過程を示す図である。
【図10】パッキング処理の最終的な結果を示す図であ
る。
【図11】決定した空間群のディスプレイ表示を示す図
である。
【図12】パッキング処理及び空間群決定処理を実行す
るための全体のフローチャートを示す図である。
【図13】パッキング処理を実行するためのフローチャ
ートである。
【図14】空間群決定の処理手順を示すフローチャート
である。
【図15】積層する結晶構造を示す図である。
【図16】積層する結晶構造を示す図である。
【図17】2つの結晶構造を交互に積み重ねて合成した
仮想的な結晶構造を示す図である。
【図18】原点移動を行ったときの結晶構造を示す図で
ある。
【図19】決定した空間群のディスプレイ表示を示す図
である。
【図20】結晶構造を非対称単位で表した図である。
【符号の説明】
3,4 メモリ領域 5 ディスプレイ 10 対象とする結晶 10a1 ,10a2 原子 A1 ,A2 格子座標 A1 ′,A2 ′ 等価位置座標 C1,C2 原子名 M1 ,M2 空間群対応のマトリックス P1 ,P1- 空間群の分類記号

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶構造の持つ空間群を決定する空間群
    決定方法において、 対象結晶構造に対して前記対象結晶構造が属する晶系を
    決定し(ステップS101)、 前記晶系に含まれる複数の空間群で順次パッキング処理
    を行い(ステップS102)、 前記パッキング処理によって得られた複数の結晶構造と
    前記対象結晶構造とを比較し、両者が一致する結晶構造
    を持つとき当該空間群を前記対象結晶構造の空間群とし
    て決定する(ステップS103)、 ことを特徴とする空間群決定方法。
  2. 【請求項2】 前記パッキング処理は、前記晶系に含ま
    れるそれぞれの空間群に対応するマトリックスを用いて
    前記対象結晶構造を構成する各原子の格子座標に対して
    演算操作を行い、前記演算操作によって前記各原子の等
    価位置を求めることを特徴とする請求項1記載の空間群
    決定方法。
  3. 【請求項3】 前記パッキング処理によって得られた結
    晶構造と前記対象結晶構造との比較は、少なくとも原子
    数、原子名及び格子座標の比較であることを特徴とする
    請求項1記載の空間群決定方法。
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