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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:17921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。

STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖1
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)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。
STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖2
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:
STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖3
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

    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。

STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖4
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?。ú襟E2),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。

STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖6
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。
STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖7
圖7 切片設(shè)置

    5. 按圖8所示設(shè)置顯微鏡參數(shù),確認(rèn)勾選“TDS”(步驟1),修改檢測器的默認(rèn)值(步驟2),計算每N個切片的中間圖像,設(shè)置圖像保存路徑(步驟3)。
STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖8
圖8 顯微鏡參數(shù)的設(shè)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(qū)分開來,避免覆蓋。
STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖9
圖9 參數(shù)保存及運行模擬

    7. 最后,選擇菜單欄的“Display Results”進(jìn)行結(jié)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(shù)等,并設(shè)置測試樣和射線源大小。
STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖10
圖10 定量模擬的結(jié)果視圖
    以上就是TEM/STEM定量模擬軟件QSTEM的基本介紹及基礎(chǔ)操作了,還不快快行動,抓緊學(xué)習(xí)起來吧!

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12條評論
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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具?,F(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會。
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