1 引言

    在电子显微学界,“TEM/STEM”可曾困扰你?你是否也被“.cfg、.qsc”文件所折磨?关于图像计算、定量模拟是否也曾让你头疼不已?
    无需聘请专业的理论模拟团队,也无需求助指导老师,只需学会一款软件—QSTEM,即可解决这些科研难题,助你在科研探索的道路上突飞猛进。
    众所周知,在材料、化工等领域,物质的形貌、晶体结构、元素分布等信息占据着举足轻重的地位,因此常常需要对相应材料进行形貌表征,常见表征手段包括,扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高倍率透射电子显微镜(HRTEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)等等。
    从成像的角度来说,STEM对材料结构的表征显然更加细致,当TEM、HRTEM图像依然无法满足需求时,STEM无疑是首选的形貌表征方法。
    而STEM又常常与HAADF/BF(高角环形暗场像/明场像)联用,可以有效的避免TEM和HRTEM中复杂的衍射衬度和相干成像,获得更加精细的材料结构,直接反应原子的信息。
    为了更加生动详细的描述和展示材料的微观形貌、晶体结构、元素分布等,我们常常需要对STEM图像进行定量模拟分析,以获得更加准确直观的材料微观信息,如图1即是利用QSTEM模拟前后的HAADF-STEM图像。

STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图1
图1 QSTEM模拟前后的HAADF-STEM图像

2 软件介绍
    QSTEM是由德国柏林洪堡大学的Koch开发STEM图像模拟软件(图2),它是在多层切片算法的基础上采用冻结声子逼近法进行HAADF-STEM图像分析的软件,能够对关键实验因素(例如样品厚度、检测器角度)的作用进行系统检查,是一款可以量化STEM模拟的软件。
    QSTEM软件包含许多组件或工具:
    ImageSim:QSTEM的组成部分,但该程序也可以独立调用,并且可以将各种像差应用于QSTEM 模拟或焦点序列重建产生的复数值波函数。
    ShowImage:用于显示.img格式的图像的简单工具 。
    QMB:QSTEM模型构建器,使用此基于用户界面的工具,可以构建包含任意多个晶粒的超结构。它还允许加载.dm3、.img、.tif、.jpg等格式的图像,并构建原子模型以匹配图像中的原子列。
    Convert2CFG:该工具可以将.xtl或.xyz格式的晶体结构数据转换为QSTEM和其他工具可以读取的.cfg格式。
    VitualGoniometer:一种用于将晶胞参数转换为结构矩阵,然后找到所需倾斜角度以倾斜到特定区域轴的工具。
    GBMaker:用于构建包含晶相和非晶相的任意超结构的命令行工具。
    因此,使用QSTEM可以对任意样品的界面、缺陷等进行模拟分析,也可以在任意方向进行图像计算,在分析某些TEM数据时具有非常重要的作用。
STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图2
图2 QSTEM软件


3 工作界面

    如图3所示,QSTEM软件打开后的工作界面主要可以分为以下几个大块:
STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图3
图3 QSTEM的用户界面
    1. 模型视图窗口(红框):包括模型的导入、更新、观察视角、参数设置等,在此可以进行单位单元的读取、最小单元的复制、边框设置等。
    2. 主菜单栏(橙框):包括配置的加载与保存、结果的显示等,当然,在该栏目内还可以设置模拟的模型。
    3. 描窗口(黄框):可以通过鼠标左键拖动模型图,在左侧模型视图窗口显示出蓝色框,从而选定设置新的扫描区域,值得一提的是,选定的区域一般小于鼠标拖动的结果。
    4.探针阵列窗口(绿框):可以指定分辨率和窗口的大小,设置阵列大小,使散射角最小也要满足大于或等于想要测试的最大探测角。
    5.切片设置窗口(蓝框):在此可以设置水平模型的子板数、每个子板的切片数目以及切片的厚度,但需要注意的是,子板数越多、切片越薄,模拟计算的时间也会越长,此外,若样品结构具有周期性,在该区域还可以进行周期模式的设置,避免边缘效应。
    6.显微镜参数设置窗口(紫框):可以设置电压、离焦量、汇聚角等,甚至可以定义特定的5阶像差。
    7.探测器及输出窗口(黑框):主要是设置探测器的参数,包括数量、内外角的大小和范围等。

4 实例详

    为了便于读者理解QSTEM对STEM照片的定量模拟,笔者以Si3N4为例,进行基础的操作示范。

    1. 首先点击软件模型视图窗口中的“Load Model”,导入并加载Si3N4的晶胞结构(步骤1),可以选择“3D”察看三维模型(步骤2),设置好每个单元的大小和方向(步骤3),结果如图4所示。

    2. 用鼠标左键在主视图上拖动出一个蓝色矩形框,并选择此作为自己的扫描区域(步骤1),此时在右侧扫描设置窗口会出现“Accept”和“Reject”选项,选择“Accept”,确认扫描区域(步骤2),如图5所示。

STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图4
图4 加载晶胞结构


STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图5

图5 选择扫描区域

    3. 设置每个方向上要扫描的像素数(步骤1),选择探针阵列的试样和大小(步骤2),这样衍射图中的散射角将被显示出来,所需的模拟单元将被渲染成红色,如图6所示。

STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图6
图6 设置探针阵列
    4. 将观察角度调整为“front”,设置水平模型的子板数、每个子板的切片数目(步骤1),确保每个切片有1个原子层(可以利用“Update View”功能确认),设置电势偏移来对原子层进行定位,确保它在切片的中心,同时将其设置为切片厚度的一半(步骤2),如图7所示。
STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图7
图7 切片设置

    5. 按图8所示设置显微镜参数,确认勾选“TDS”(步骤1),修改检测器的默认值(步骤2),计算每N个切片的中间图像,设置图像保存路径(步骤3)。
STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图8
图8 显微镜参数的设置
    6. 如图9所示,选择菜单栏的“Save Config”将配置保存到文件中(步骤1),使用“Start Simulation”运行刚刚保存的配置(步骤2)。值得注意的是,该软件可以同时运行多组不同的配置,因而保存路径要区分开来,避免覆盖。
STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图9
图9 参数保存及运行模拟

    7. 最后,选择菜单栏的“Display Results”进行结果的查看,则会打开一个新的窗口“Showimage”,如图10所示,可以选择图像/衍射模式/波函数等,并设置测试样和射线源大小。
STEM图像 模拟软件QSTEM入门教程演示参考图10
图10 定量模拟的结果视图
    以上就是TEM/STEM定量模拟软件QSTEM的基本介绍及基础操作了,还不快快行动,抓紧学习起来吧!