STEM-Simulation¶
Die STEM-Simulation (Scanning Transmission Electron Microscopy) berechnet Bilder der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie mit der Bloch-Wellen-Methode.
Diese Seite listet alle Einstellungen auf, die rechts erscheinen, wenn Bildmodus = STEM gewählt ist. Für die Steuerelemente links zur Ergebnisanzeige, Helligkeit und Normierung siehe die Übersichtsseite. Nur das STEM-spezifische Anzeigeziel wird unten wiederholt.
Übersicht¶
Ein konvergenter Elektronenstrahl wird über die Probe gerastert, und die transmittierten und gestreuten Elektronen werden an jeder Rasterposition von Ringdetektoren erfasst. ReciPro berechnet das STEM-Bild mit der Bloch-Wellen-Methode (dynamische Berechnung).
Berechnungsablauf¶
- Berechne an jeder Rasterposition die gebeugten Intensitäten mit der Bloch-Wellen-Methode für jede Einfallsrichtung der konvergenten Sonde.
- Integriere die gestreute Intensität über den Winkelbereich des Detektors.
- Sowohl elastische als auch thermisch-diffuse Streubeiträge (TDS) können berechnet werden.
Siehe Anhang A3.4 — STEM-Berechnung für die Theorie.
Detektortypen¶
| Detektor | Winkelbereich | Hauptbeitrag | Kontrast |
|---|---|---|---|
| BF (Hellfeld) | 0 – Konvergenzwinkel | Elastisch | Phasenkontrast |
| ABF (ringförmiges Hellfeld) | Innerer Teil des Konvergenzwinkels | Elastisch | Empfindlich für leichte Elemente |
| LAADF (ringförmiges Dunkelfeld bei kleinem Winkel) | Knapp außerhalb des Konvergenzwinkels | Elastisch + TDS | Empfindlich für Verzerrungen |
| HAADF (ringförmiges Dunkelfeld bei großem Winkel) | Deutlich außerhalb des Konvergenzwinkels | TDS (inelastisch) | Z-Kontrast (\(\propto Z^2\)) |
Typische Detektoreinstellungen (jeweils mit einem Klick aus dem Rechtsklick-Menü der STEM-Optionen verfügbar, alle mit Konvergenzwinkel α = 25 mrad): BF (0–5 mrad) / ABF (12–24 mrad) / LAADF (26–60 mrad) / HAADF (80–250 mrad)
Probenparameter¶
- Thickness : Probendicke (nm). Dieser Wert wird im Modus Serial image ignoriert.
TEM-Bedingungen¶
| Parameter | Beschreibung | Standard / typisch |
|---|---|---|
| Acc. Vol. (kV) | Beschleunigungsspannung. Die relativistisch korrigierte Elektronenwellenlänge wird daneben angezeigt | 200 kV |
| Defocus Δf | Defokus der Objektivlinse (sondenformenden Linse) (nm) | −57.8 nm |
| Cs | Sphärischer Aberrationskoeffizient (mm). Beeinflusst die Sondengröße | 0.5–1.0 mm |
| Cc | Chromatischer Aberrationskoeffizient (mm) | 1.0–2.0 mm |
| ΔV (FWHM) | Halbwertsbreite der Energiebreite der Elektronen (eV) | 0.5–2.0 eV |
β (Beleuchtungs-Halbwinkel) ist im STEM-Modus deaktiviert, weil der Konvergenzwinkel α seine Rolle übernimmt.
STEM-Optionen (optisch)¶
Lege die Geometrie der konvergenten Sonde und des Ringdetektors fest. Jeder Winkel wird rechts auch als Radius im reziproken Raum \(\sin\theta/\lambda\) (nm⁻¹) umgerechnet angezeigt.
| Parameter | Beschreibung | Standard / typisch |
|---|---|---|
| α (convergence angle) | Halbwinkel der konvergenten Sonde (mrad). Größere Werte ergeben eine feinere Sonde und verändern den Beugungskontrast | 15–25 mrad |
| (Annular) detector inner angle | Innerer Erfassungs-Halbwinkel des Ringdetektors (mrad). Signal innerhalb dieses Winkels wird ausgeschlossen | BF: 0, HAADF: 80 |
| (Annular) detector outer angle | Äußerer Erfassungs-Halbwinkel des Ringdetektors (mrad). Signal außerhalb dieses Winkels wird ausgeschlossen | BF: 5, HAADF: 250 |
| Effective source size σs (FWHM) | Effektive Größe der Elektronenquelle. Größere Werte verschmieren die Sonde und verringern den Kontrast feiner Details | — |
STEM-Optionen (Simulation)¶
- Slice thickness for inelastic : Schichtdicke der Probe (nm), die bei der Berechnung der TDS-Intensität (thermisch-diffus, inelastisch) verwendet wird. Kleinere Werte sind genauer, aber langsamer.
- Angular resolution : Winkel-Abtastauflösung der Einfallsrichtungen der Sonde (mrad). Kleinere Werte tasten die Sonde feiner ab, sind aber langsamer.
Bildmodus (single / serial)¶
- Einzelbild : berechnet ein STEM-Bild bei der aktuellen Dicke.
- Serienbild : erzeugt eine Bildserie mit schrittweise variierter Dicke / Defokus (festgelegt über Start / Step / Num; die Liste darunter kann auch direkt bearbeitet werden).
Bildeigenschaften¶
- Größe (B×H) : Anzahl der Pixel im gerasterten Bild (Standard 512×512). In STEM entspricht dies der Anzahl der Rasterpunkte und skaliert die Rechenzeit linear.
- Resolution : Abtastauflösung (pm/px).
Gebeugte Wellen¶
- Max Bloch waves : maximale Anzahl der in der Bethe-Methode verwendeten Bloch-Wellen (Standard 80). Der Aufwand des Eigenwertproblems skaliert mit der dritten Potenz der Wellenanzahl.
STEM-Anzeigeziel (Ergebnisseite)¶
Der Anzeigeschalter unten links im Fenster wählt aus, welche Streukomponente des bereits berechneten STEM-Bildes angezeigt wird (umschaltbar ohne Neuberechnung).
| Anzeigeziel | Beschreibung |
|---|---|
| Elastisch | Bild nur aus elastischer Streuung |
| TDS | Bild nur aus thermisch-diffuser Streuung |
| Elastisch & TDS | Summe aus elastisch + TDS |
Rechenaufwand¶
Die STEM-Simulation ist rechenaufwendig, daher sollten die folgenden Parameter angemessen gewählt werden.
| Faktor | Auswirkung |
|---|---|
| Konvergenzwinkel | Größer → mehr Überlappung der CBED-Scheiben → höherer Aufwand |
| Bloch-Wellen | Aufwand des Eigenwertproblems skaliert mit N³ |
| Winkelauflösung | Feiner → genauer, aber Aufwand skaliert mit N² |
| Bildpixel (Size) | Lineare Skalierung mit der Anzahl der Rasterpunkte |
Bedeutung des Temperaturfaktors¶
Für die HAADF-STEM-Simulation müssen die Atome einen von null verschiedenen isotropen Temperaturfaktor (Debye-Waller-Faktor) besitzen. Ist der Wert unbekannt, setze \(B \approx 0.5\ \text{Å}^2\). Bei einem Temperaturfaktor von null ist die TDS-Intensität null und das HAADF-Bild wird nicht korrekt berechnet.
| Detektor | Bereich | Hauptbeitrag |
|---|---|---|
| BF, ABF | Innerhalb des Konvergenzwinkels | Elastisch |
| LAADF, HAADF | Außerhalb des Konvergenzwinkels | Inelastisch (TDS) |
Vergleich mit Dr. Probe¶
Es wurde bestätigt, dass die STEM-Simulationen von ReciPro eng mit der weit verbreiteten Dr.-Probe-GUI (v1.10) übereinstimmen. Die folgende Abbildung vergleicht die beiden für BF-, ABF-, LAADF- und HAADF-Detektoren über eine Dickenserie (2.96–60.05 nm), sowohl aberrationsfrei (links) als auch mit Cs = 0.2 mm, Defokus = −25.9 nm (rechts). Die beiden Programme stimmen über alle Detektortypen und Dicken hinweg überein.
Ein ausführlicherer Bericht ist als PDF verfügbar: Vergleich von STEM-Simulationen durch Dr.-Probe-GUI (v1.10) und ReciPro (v4.854).