STEM シミュレーション¶
STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) シミュレーションは、走査透過電子顕微鏡像を計算します。
このページは、イメージモード = STEM を選んだときに右側に現れる設定項目をすべて掲載します。結果の表示・明るさ調整など左側の操作は まとめページ を参照してください（STEM固有の 表示対象 だけは下にも再掲します）。
概要¶
STEM像は、収束した電子ビームを試料上で走査し、各位置での透過・散乱電子を環状検出器で検出することで形成されます。ReciProではブロッホ波法（Dynamical 計算）でSTEM像をシミュレーションします。
計算手法¶
- 各走査位置で、収束ビームの各入射方向に対してブロッホ波法で回折強度を計算
- 検出器の角度範囲内の散乱強度を積算
- 弾性散乱と熱散漫散乱 (TDS) の両方を計算可能
理論の詳細は Appendix A3.4 — STEM の計算 を参照してください。
検出器の種類¶
| 検出器 | 角度範囲 | 主な寄与 | 像のコントラスト |
|---|---|---|---|
| BF (明視野) | 0 〜 収束角 | 弾性散乱 | 位相コントラスト |
| ABF (環状明視野) | 収束角の内側 | 弾性散乱 | 軽元素に感度が高い |
| LAADF (低角環状暗視野) | 収束角のやや外側 | 弾性 + TDS | ひずみに敏感 |
| HAADF (高角環状暗視野) | 収束角の十分外側 | TDS (非弾性) | Z-コントラスト（\(\propto Z^2\)、原子番号の約2乗に比例） |
典型的な検出器設定（STEMオプションの右クリックメニューからワンクリックで設定可能、いずれも収束角 α=25 mrad）: BF (0–5 mrad) / ABF (12–24 mrad) / LAADF (26–60 mrad) / HAADF (80–250 mrad)
試料情報¶
- 厚み : 試料の厚さ (nm)。シリーズ画像 モードのときはこの値は無視されます。
TEMの条件¶
| パラメータ | 説明 | 既定値 / 典型値 |
|---|---|---|
| 加速電圧 (kV) | 加速電圧。相対論補正された電子波長が右に表示されます | 200 kV |
| デフォーカス Δf | 対物（プローブ形成）レンズのデフォーカス (nm) | −57.8 nm |
| Cs | 球面収差係数 (mm)。プローブ径に影響します | 0.5–1.0 mm |
| Cc | 色収差係数 (mm) | 1.0–2.0 mm |
| ΔV (FWHM) | 電子線のエネルギー幅の半値全幅 (eV) | 0.5–2.0 eV |
β（照射半角）はSTEMモードでは無効です（収束角 α が役割を担うため）。
STEMオプション（光学系）¶
収束プローブと環状検出器のジオメトリを設定します。各角度は逆空間半径 \(\sin\theta/\lambda\) への換算値 (nm⁻¹) も右に表示されます。
| パラメータ | 説明 | 既定値 / 典型値 |
|---|---|---|
| α（収束角） | 収束プローブの半角 (mrad)。大きいほどプローブが細くなり、回折コントラストも変わります | 15–25 mrad |
| (環状)検出器の内角 | 環状検出器の内側取り込み半角 (mrad)。これより内側の信号は除外 | BF: 0、HAADF: 80 |
| (環状)検出器の外角 | 環状検出器の外側取り込み半角 (mrad)。これより外側の信号は除外 | BF: 5、HAADF: 250 |
| 実効光源サイズ σs (FWHM) | 有効電子源サイズ。大きいほどプローブがぼけ、細部のコントラストが低下します | — |
STEMオプション（計算）¶
- 非弾性用スライス厚 : TDS（熱散漫散乱による非弾性）電子強度を計算する際の試料スライス厚さ (nm)。小さいほど精度は上がりますが計算は遅くなります。
- 角度分解能 : 入射プローブ方向の角度サンプリング分解能 (mrad)。小さいほどプローブを細かくサンプリングしますが計算は遅くなります。
画像モード（単一 / シリーズ画像）¶
- 単一画像 : 現在の厚さで1枚のSTEM像を計算します。
- シリーズ画像 : 厚さ・デフォーカスを段階的に変えた一連の像を生成します（Start / Step / Num で指定、下のリスト欄で直接編集も可能）。
生成画像¶
- Size (W×H) : 走査像のピクセル数（既定 512×512）。STEMでは走査点数に直結し、計算時間に線形に効きます。
- 解像度 : サンプリング分解能 (pm/px)。
回折波の数¶
- 最大ブロッホ波数 : ベーテ法で使用するブロッホ波の最大数（既定 80）。固有値問題のコストは波数の3乗に比例します。
STEM像の表示対象（結果表示側）¶
ウィンドウ左下にある表示切替で、計算済みのSTEM像のうちどの散乱成分を表示するかを選びます（計算をやり直さずに切り替え可能）。
| 表示対象 | 説明 |
|---|---|
| 弾性 | 弾性散乱のみの像 |
| TDS | 熱散漫散乱のみの像 |
| 弾性 & TDS | 弾性 + TDS の合計像 |
計算時間に影響する要因¶
STEMシミュレーションは計算コストが高いため、以下のパラメータを適切に設定してください。
| 要因 | 影響 |
|---|---|
| 収束角 | 大きいほどCBEDディスクの重なりが増え、計算コストが増大 |
| ブロッホ波の数 | 固有値問題のコストは波数の3乗に比例 |
| 角度分解能 | 細かいほど正確だが計算時間は二乗で増大 |
| 画素数（Size） | 走査点数に線形に比例 |
温度因子の重要性¶
HAADF-STEM像のシミュレーションには、原子の等方性温度因子 (Debye-Waller factor) をゼロ以外に設定する必要があります。温度因子が不明な場合は \(B = 0.5\ \text{Å}^2\) 程度に設定してください。温度因子がゼロの場合、TDS強度がゼロとなり、HAADF像が正しく計算されません。
| 検出器 | 範囲 | 主な寄与 |
|---|---|---|
| BF, ABF | 収束角内 | 弾性散乱 |
| LAADF, HAADF | 収束角外 | 非弾性散乱 (TDS) |
Dr. Probe との比較¶
ReciProのSTEMシミュレーション結果は、広く使われている Dr. Probe GUI (v.1.10) と良好に一致することが確認されています。下図は、BF・ABF・LAADF・HAADF 検出器について厚さシリーズ（2.96〜60.05 nm）で両者を比較したものです（左: 収差なし、右: Cs = 0.2 mm, デフォーカス = −25.9 nm）。すべての検出器・厚さで両者はよく一致します。
より詳細な比較は PDF で参照できます: Comparison of STEM simulations by Dr. Probe GUI (v.1.10) and ReciPro (v.4.854)