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超级干货丨STEM图像模拟软件QSTEM入门教程

来源：本站时间：2021-04-15 21:27:38 浏览：14415次

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。

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开发的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。

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：

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 实例详解

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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！

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