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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：14556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(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(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(jié)構(gòu)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(huán)形暗場像/明場像）聯(lián)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)、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。

    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上采用凍結(jié)聲子逼近法進行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用于QSTEM 模擬或焦點序列重建產(chǎn)生的復數(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(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）：包括模型的導入、更新、觀察視角、參數(shù)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(jié)果的顯示等，當然，在該欄目內(nèi)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(cè)模型視圖窗口顯示出藍色框，從而選定設置新的掃描區(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(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)域還可以進行周期模式的設置，避免邊緣效應。
        6.顯微鏡參數(shù)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(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(jié)構(gòu)（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(jié)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(qū)域（步驟1），此時在右側(cè)掃描設置窗口會出現(xiàn)“Accept”和“Reject”選項，選擇“Accept”，確認掃描區(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。

    STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖6
    圖6 設置探針陣列
        4. 將觀察角度調(diào)整為“front”，設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)，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。
    STEM圖像 模擬軟件QSTEM入門教程演示參考圖7
    圖7 切片設置

        5. 按圖8所示設置顯微鏡參數(shù)，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）。
    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的基本介紹及基礎操作了，還不快快行動，抓緊學習起來吧！

    評論 / 文明上網(wǎng)理性發(fā)言
    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信息以傳之久遠的方式和工具?，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的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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