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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：20780次

1 引言

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

無需聘請專業的理論模擬團隊，也無需求助指導老師，只需學會一款軟件—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。

眾所周知，在材料、化工等領域，物質的形貌、晶體結構、元素分布等信息占據著舉足輕重的地位，因此常常需要對相應材料進行形貌表征，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對材料結構的表征顯然更加細致，當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（高角環形暗場像/明場像）聯用，可以有效的避免TEM和HRTEM中復雜的衍射襯度和相干成像，獲得更加精細的材料結構，直接反應原子的信息。

為了更加生動詳細的描述和展示材料的微觀形貌、晶體結構、元素分布等，我們常常需要對STEM圖像進行定量模擬分析，以獲得更加準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的Koch開發的STEM圖像模擬軟件（圖2），它是在多層切片算法的基礎上采用凍結聲子逼近法進行HAADF-STEM圖像分析的軟件，能夠對關鍵實驗因素（例如樣品厚度、檢測器角度）的作用進行系統檢查，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用，并且可以將各種像差應用于QSTEM 模擬或焦點序列重建產生的復數值波函數。

ShowImage：用于顯示.img格式的圖像的簡單工具。

QMB：QSTEM模型構建器，使用此基于用戶界面的工具，可以構建包含任意多個晶粒的超結構。它還允許加載.dm3、.img、.tif、.jpg等格式的圖像，并構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格式的晶體結構數據轉換為QSTEM和其他工具可以讀取的.cfg格式。

VitualGoniometer：一種用于將晶胞參數轉換為結構矩陣，然后找到所需傾斜角度以傾斜到特定區域軸的工具。

GBMaker：用于構建包含晶相和非晶相的任意超結構的命令行工具。

因此，使用QSTEM可以對任意樣品的界面、缺陷等進行模擬分析，也可以在任意方向進行圖像計算，在分析某些TEM數據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）：包括模型的導入、更新、觀察視角、參數設置等，在此可以進行單位單元的讀取、最小單元的復制、邊框設置等。

2. 主菜單欄（橙框）：包括配置的加載與保存、結果的顯示等，當然，在該欄目內還可以設置模擬的模型。

3. 描窗口（黃框）：可以通過鼠標左鍵拖動模型圖，在左側模型視圖窗口顯示出藍色框，從而選定設置新的掃描區域，值得一提的是，選定的區域一般小于鼠標拖動的結果。

4.探針陣列窗口（綠框）：可以指定分辨率和窗口的大小，設置陣列大小，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.切片設置窗口（藍框）：在此可以設置水平模型的子板數、每個子板的切片數目以及切片的厚度，但需要注意的是，子板數越多、切片越薄，模擬計算的時間也會越長，此外，若樣品結構具有周期性，在該區域還可以進行周期模式的設置，避免邊緣效應。

6.顯微鏡參數設置窗口（紫框）：可以設置電壓、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）：主要是設置探測器的參數，包括數量、內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，進行基礎的操作示范。

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

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

圖4 加載晶胞結構

STEM圖像模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖5

圖5 選擇掃描區域

3. 設置每個方向上要掃描的像素數（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 設置探針陣列

4. 將觀察角度調整為“front”，設置水平模型的子板數、每個子板的切片數目（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)，設置電勢偏移來對原子層進行定位，確保它在切片的中心，同時將其設置為切片厚度的一半（步驟2），如圖7所示。

圖7 切片設置

5. 按圖8所示設置顯微鏡參數，確認勾選“TDS”（步驟1），修改檢測器的默認值（步驟2），計算每N個切片的中間圖像，設置圖像保存路徑（步驟3）。

圖8 顯微鏡參數的設置

6. 如圖9所示，選擇菜單欄的“Save Config”將配置保存到文件中（步驟1），使用“Start Simulation”運行剛剛保存的配置（步驟2）。值得注意的是，該軟件可以同時運行多組不同的配置，因而保存路徑要區分開來，避免覆蓋。

圖9 參數保存及運行模擬

7. 最后，選擇菜單欄的“Display Results”進行結果的查看，則會打開一個新的窗口“Showimage”，如圖10所示，可以選擇圖像/衍射模式/波函數等，并設置測試樣和射線源大小。

圖10 定量模擬的結果視圖

以上就是TEM/STEM定量模擬軟件QSTEM的基本介紹及基礎操作了，還不快快行動，抓緊學習起來吧！

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