Two-Dimensional Space Groups

The five basic lattice types

There are 17 space groups in the plane, but their unit cells fall into one of five basic shapes as follows:

General Parallelogram lattice

+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+
           /           /           /           /           /           /
          /           /           /           /           /           /
         /           /           /           /           /           /
--------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+---
       /           /           /           /           /           /
      /           /           /           /           /           /
     /           /           /           /           /           /
----+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-------
   /           /           /           /           /           /
  /           /           /           /           /           /
 /           /           /           /           /           /
+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+

General Rectangular Lattice

+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+
|           |           |           |           |           |           |
|           |           |           |           |           |           |
|           |           |           |           |           |           |
+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+
|           |           |           |           |           |           |
|           |           |           |           |           |           |
|           |           |           |           |           |           |
+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+
|           |           |           |           |           |           |
|           |           |           |           |           |           |
|           |           |           |           |           |           |
+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+

General Rhombic (Centered) Lattice

    +       +       +       +       +-------+-------+-------+-------+----
   / \     / \     / \     / \     /|\     /|\     /|\     /|       |
  /   \   /   \   /   \   /   \   / | \   / | \   / | \   / |       |  
 /     \ /     \ /     \ /     \ /  |  \ /  |  \ /  |  \ /  |       | 
+       +       +       +       +   |   +   |   +   |   +   |   +   |   +
 \     / \     / \     / \     / \  |  / \  |  / \  |  / \  |       |
  \   /   \   /   \   /   \   /   \ | /   \ | /   \ | /   \ |       |   
   \ /     \ /     \ /     \ /     \|/     \|/     \|/     \|       |     
    +       +       +       +       +-------+-------+-------+-------+----
   / \     / \     / \     / \     /|\     /|\     /|\     /|       |
  /   \   /   \   /   \   /   \   / | \   / | \   / | \   / |       |  
 /     \ /     \ /     \ /     \ /  |  \ /  |  \ /  |  \ /  |       | 
+       +       +       +       +   |   +   |   +   |   +   |   +   |   +
 \     / \     / \     / \     / \  |  / \  |  / \  |  / \  |       |
  \   /   \   /   \   /   \   /   \ | /   \ | /   \ | /   \ |       |   
   \ /     \ /     \ /     \ /     \|/     \|/     \|/     \|       |     
    +       +       +       +       +-------+-------+-------+-------+----
The simplest unit cell for this pattern is a rhombus, but the pattern also has a rectangular structure. To bring out the rectangular pattern, this lattice is often described as a rectangle with an extra point in the center. Such a lattice is called centered.

Square Lattice

+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
|       |       |       |       |       |       |       |       |       |
+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+

Hexagonal Lattice

   +     +     +     +     +     +     +     +     +-----+-----+-----+---
                                                  /     /     /     /   
                                                 /     /     /     /   
+     +     +     +     +     +     +     +     +-----+-----+-----+-----+
                                                 \   / \   / \   / \   /
                                                  \ /   \ /   \ /   \ /
   +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +
                                                  / \   / \   / \   / \ 
                                                 /   \ /   \ /   \ /   \
+     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +
                                                 \   / \   / \   / \   /
                                                  \ /   \ /   \ /   \ / 
   +     +     +     +     +     +     +     +     +-----+-----+-----+---
                                                    \     \     \     \ 
                                                     \     \     \     \  
+     +     +     +     +     +     +     +     +     +-----+-----+-----+
Note that there are three equivalent ways to orient the unit cells.

The 17 Plane Space Groups

Parallelogram Lattices

1. p1

  +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     
                                      
   p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
+     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     
                                       
 p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
    +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +       

     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
  +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +

2. p2

  d           d           d           d           d           d     
    +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +
      p           p           p           p           p           p       
  +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +
          d           d           d           d           d           d     
      +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +
  p           p           p           p           p           p             
    +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +     +
There are 2-fold axes at the + locations.

Rectangular Lattices

3. pm

    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
---------------------------------------------------------------------
    b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
---------------------------------------------------------------------
    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
---------------------------------------------------------------------
    b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
---------------------------------------------------------------------
    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
---------------------------------------------------------------------
    b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
---------------------------------------------------------------------
Parallel mirror planes

4. pg

    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
       b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
       b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
       b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Parallel glide planes

5. pmm

+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
Perpendicular mirror planes

6. pmg

+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |    d|b    |
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|p    |    q|
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
Perpendicular mirror and glide planes
>

7. pgg

+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |p   d|     |
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|     |b   q|
+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+- - -+
Perpendicular glide planes. (p,b) and (d,q) are related by horizontal glides, (p,q) and (b,d) by vertical glides. Note that the intersections of the glide planes and the centers of the boxes outlined by the glide planes are also two-fold symmetry axes.

Centered Lattices

8. cm

    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
---------------------------------------------------------------------
    b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
 p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
---------------------------------------------------------------------
 b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
---------------------------------------------------------------------
    b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
 p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p     p
---------------------------------------------------------------------
 b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b     b
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Parallel mirror and glide planes. The pattern of stars on a 50-star flag has this symmetry.

9. cmm

+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+
|p :  |    q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|
+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+
|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|
+ -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- +
|  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |
+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+
|  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |
+ -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- +
|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|
+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+
|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|b :  |  : d|
+ -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- + -:- +
|  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |  : q|p :  |
+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+--:--+
Alternating mirror and glide planes in both directions. All intersections are also two-fold symmetry axes. Bricks in a wall have this symmetry.

Square Lattices

Trigonal Lattices

Hexagonal Lattices



Symmetry Elements of the Two-Dimensional Space Groups