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超級干貨丨STEM圖像模擬軟件QSTEM入門教程

來源：本站時間：2021-04-15 21:27:38 瀏覽：21277次

1 引言

在電子顯微學(xué)界，“TEM/STEM”可曾困擾你？你是否也被“.cfg、.qsc”文件所折磨？關(guān)于圖像計算、定量模擬是否也曾讓你頭疼不已？

無需聘請專業(yè)的理論模擬團(tuán)隊，也無需求助指導(dǎo)老師，只需學(xué)會一款軟件—QSTEM，即可解決這些科研難題，助你在科研探索的道路上突飛猛進(jìn)。

眾所周知，在材料、化工等領(lǐng)域，物質(zhì)的形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素分布等信息占據(jù)著舉足輕重的地位，因此常常需要對相應(yīng)材料進(jìn)行形貌表征，常見表征手段包括，掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、高倍率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）等等。

從成像的角度來說，STEM對材料結(jié)構(gòu)的表征顯然更加細(xì)致，當(dāng)TEM、HRTEM圖像依然無法滿足需求時，STEM無疑是首選的形貌表征方法。

而STEM又常常與HAADF/BF（高角環(huán)形暗場像/明場像）聯(lián)用，可以有效的避免TEM和HRTEM中復(fù)雜的衍射襯度和相干成像，獲得更加精細(xì)的材料結(jié)構(gòu)，直接反應(yīng)原子的信息。

為了更加生動詳細(xì)的描述和展示材料的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素分布等，我們常常需要對STEM圖像進(jìn)行定量模擬分析，以獲得更加準(zhǔn)確直觀的材料微觀信息，如圖1即是利用QSTEM模擬前后的HAADF-STEM圖像。

圖1 QSTEM模擬前后的HAADF-STEM圖像

2 軟件介紹

QSTEM是由德國柏林洪堡大學(xué)的Koch開發(fā)的STEM圖像模擬軟件（圖2），它是在多層切片算法的基礎(chǔ)上采用凍結(jié)聲子逼近法進(jìn)行HAADF-STEM圖像分析的軟件，能夠?qū)﹃P(guān)鍵實驗因素（例如樣品厚度、檢測器角度）的作用進(jìn)行系統(tǒng)檢查，是一款可以量化STEM模擬的軟件。

QSTEM軟件包含許多組件或工具：

ImageSim：QSTEM的組成部分，但該程序也可以獨立調(diào)用，并且可以將各種像差應(yīng)用于QSTEM 模擬或焦點序列重建產(chǎn)生的復(fù)數(shù)值波函數(shù)。

ShowImage：用于顯示.img格式的圖像的簡單工具。

QMB：QSTEM模型構(gòu)建器，使用此基于用戶界面的工具，可以構(gòu)建包含任意多個晶粒的超結(jié)構(gòu)。它還允許加載.dm3、.img、.tif、.jpg等格式的圖像，并構(gòu)建原子模型以匹配圖像中的原子列。

Convert2CFG：該工具可以將.xtl或.xyz格式的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為QSTEM和其他工具可以讀取的.cfg格式。

VitualGoniometer：一種用于將晶胞參數(shù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)矩陣，然后找到所需傾斜角度以傾斜到特定區(qū)域軸的工具。

GBMaker：用于構(gòu)建包含晶相和非晶相的任意超結(jié)構(gòu)的命令行工具。

因此，使用QSTEM可以對任意樣品的界面、缺陷等進(jìn)行模擬分析，也可以在任意方向進(jìn)行圖像計算，在分析某些TEM數(shù)據(jù)時具有非常重要的作用。

圖2 QSTEM軟件

3 工作界面

如圖3所示，QSTEM軟件打開后的工作界面主要可以分為以下幾個大塊：

圖3 QSTEM的用戶界面

1. 模型視圖窗口（紅框）：包括模型的導(dǎo)入、更新、觀察視角、參數(shù)設(shè)置等，在此可以進(jìn)行單位單元的讀取、最小單元的復(fù)制、邊框設(shè)置等。

2. 主菜單欄（橙框）：包括配置的加載與保存、結(jié)果的顯示等，當(dāng)然，在該欄目內(nèi)還可以設(shè)置模擬的模型。

3. 描窗口（黃框）：可以通過鼠標(biāo)左鍵拖動模型圖，在左側(cè)模型視圖窗口顯示出藍(lán)色框，從而選定設(shè)置新的掃描區(qū)域，值得一提的是，選定的區(qū)域一般小于鼠標(biāo)拖動的結(jié)果。

4.探針陣列窗口（綠框）：可以指定分辨率和窗口的大小，設(shè)置陣列大小，使散射角最小也要滿足大于或等于想要測試的最大探測角。

5.切片設(shè)置窗口（藍(lán)框）：在此可以設(shè)置水平模型的子板數(shù)、每個子板的切片數(shù)目以及切片的厚度，但需要注意的是，子板數(shù)越多、切片越薄，模擬計算的時間也會越長，此外，若樣品結(jié)構(gòu)具有周期性，在該區(qū)域還可以進(jìn)行周期模式的設(shè)置，避免邊緣效應(yīng)。

6.顯微鏡參數(shù)設(shè)置窗口（紫框）：可以設(shè)置電壓、離焦量、匯聚角等，甚至可以定義特定的5階像差。

7.探測器及輸出窗口（黑框）：主要是設(shè)置探測器的參數(shù)，包括數(shù)量、內(nèi)外角的大小和范圍等。

4 實例詳解

為了便于讀者理解QSTEM對STEM照片的定量模擬，筆者以Si3N4為例，進(jìn)行基礎(chǔ)的操作示范。

1. 首先點擊軟件模型視圖窗口中的“Load Model”，導(dǎo)入并加載Si3N4的晶胞結(jié)構(gòu)（步驟1），可以選擇“3D”察看三維模型（步驟2），設(shè)置好每個單元的大小和方向（步驟3），結(jié)果如圖4所示。

2. 用鼠標(biāo)左鍵在主視圖上拖動出一個藍(lán)色矩形框，并選擇此作為自己的掃描區(qū)域（步驟1），此時在右側(cè)掃描設(shè)置窗口會出現(xiàn)“Accept”和“Reject”選項，選擇“Accept”，確認(rèn)掃描區(qū)域（步驟2），如圖5所示。

圖4 加載晶胞結(jié)構(gòu)

STEM圖像模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖5

圖5 選擇掃描區(qū)域

3. 設(shè)置每個方向上要掃描的像素數(shù)（步驟1），選擇探針陣列的試樣和大小（步驟2），這樣衍射圖中的散射角將被顯示出來，所需的模擬單元將被渲染成紅色，如圖6所示。

圖6 設(shè)置探針陣列

4. 將觀察角度調(diào)整為“front”，設(shè)置水平模型的子板數(shù)、每個子板的切片數(shù)目（步驟1），確保每個切片有1個原子層(可以利用“Update View”功能確認(rèn))，設(shè)置電勢偏移來對原子層進(jìn)行定位，確保它在切片的中心，同時將其設(shè)置為切片厚度的一半（步驟2），如圖7所示。