Simulação STEM¶
A simulação STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) calcula imagens de microscopia eletrônica de transmissão por varredura usando o método de ondas de Bloch.
Esta página lista todas as configurações que aparecem à direita quando Image mode = STEM. Para os controles de exibição do resultado, brilho e normalização à esquerda, consulte a página de visão geral. Apenas o alvo de exibição específico do STEM é repetido abaixo.
Visão geral¶
Um feixe eletrônico convergente é varrido sobre a amostra, e os elétrons transmitidos e espalhados em cada posição de varredura são coletados por detectores anulares. O ReciPro calcula a imagem STEM com o método de ondas de Bloch (cálculo dinâmico).
Fluxo de cálculo¶
- Em cada posição de varredura, calcule as intensidades difratadas com o método de ondas de Bloch para cada direção de incidência da sonda convergente.
- Integre a intensidade espalhada sobre a faixa angular do detector.
- Tanto as contribuições de espalhamento elástico quanto de espalhamento térmico difuso (TDS) podem ser calculadas.
Consulte o Apêndice A3.4 — Cálculo STEM para a teoria.
Tipos de detector¶
| Detector | Faixa angular | Contribuição principal | Contraste |
|---|---|---|---|
| BF (campo claro) | 0 – ângulo de convergência | Elástico | Contraste de fase |
| ABF (campo claro anular) | Parte interna do ângulo de convergência | Elástico | Sensível a elementos leves |
| LAADF (campo escuro anular de baixo ângulo) | Logo fora do ângulo de convergência | Elástico + TDS | Sensível a deformações |
| HAADF (campo escuro anular de alto ângulo) | Bem fora do ângulo de convergência | TDS (inelástico) | Contraste-Z (\(\propto Z^2\)) |
Configurações típicas de detector (cada uma disponível com um clique no menu de clique direito das opções STEM, todas com ângulo de convergência α = 25 mrad): BF (0–5 mrad) / ABF (12–24 mrad) / LAADF (26–60 mrad) / HAADF (80–250 mrad)
Parâmetros da amostra¶
- Thickness : espessura da amostra (nm). Este valor é ignorado no modo Serial image.
Condições TEM¶
| Parâmetro | Descrição | Padrão / típico |
|---|---|---|
| Acc. Vol. (kV) | Tensão de aceleração. O comprimento de onda do elétron corrigido relativisticamente é exibido ao lado | 200 kV |
| Defocus Δf | Desfocagem da lente objetiva (formadora da sonda) (nm) | −57.8 nm |
| Cs | Coeficiente de aberração esférica (mm). Afeta o tamanho da sonda | 0.5–1.0 mm |
| Cc | Coeficiente de aberração cromática (mm) | 1.0–2.0 mm |
| ΔV (FWHM) | Largura a meia altura da dispersão de energia dos elétrons (eV) | 0.5–2.0 eV |
β (semiângulo de iluminação) está desativado no modo STEM, porque o ângulo de convergência α assume o seu papel.
Opções STEM (óptica)¶
Defina a geometria da sonda convergente e do detector anular. Cada ângulo também é exibido convertido em um raio no espaço recíproco \(\sin\theta/\lambda\) (nm⁻¹) à direita.
| Parâmetro | Descrição | Padrão / típico |
|---|---|---|
| α (convergence angle) | Semiângulo da sonda convergente (mrad). Valores maiores geram uma sonda mais fina e alteram o contraste de difração | 15–25 mrad |
| (Annular) detector inner angle | Semiângulo interno de coleta do detector anular (mrad). O sinal dentro desse ângulo é excluído | BF: 0, HAADF: 80 |
| (Annular) detector outer angle | Semiângulo externo de coleta do detector anular (mrad). O sinal fora desse ângulo é excluído | BF: 5, HAADF: 250 |
| Effective source size σs (FWHM) | Tamanho efetivo da fonte de elétrons. Valores maiores borram a sonda e reduzem o contraste de detalhes finos | — |
Opções STEM (simulação)¶
- Slice thickness for inelastic : espessura de fatia da amostra (nm) usada ao calcular a intensidade TDS (térmico-difuso, inelástico). Valores menores são mais precisos, mas mais lentos.
- Angular resolution : resolução de amostragem angular das direções de incidência da sonda (mrad). Valores menores amostram a sonda mais finamente, mas são mais lentos.
Modo de imagem (single / serial)¶
- Single image : calcula uma imagem STEM na espessura atual.
- Serial image : gera uma série de imagens com a espessura / desfocagem variada em etapas (definidas por Start / Step / Num; a lista abaixo também pode ser editada diretamente).
Propriedades da imagem¶
- Size (W×H) : número de pixels na imagem varrida (padrão 512×512). No STEM isso equivale ao número de pontos de varredura e escala o tempo de cálculo linearmente.
- Resolution : resolução de amostragem (pm/px).
Ondas difratadas¶
- Max Bloch waves : número máximo de ondas de Bloch usadas no método de Bethe (padrão 80). O custo do problema de autovalores escala com o cubo do número de ondas.
Alvo de exibição STEM (lado do resultado)¶
A chave de exibição no canto inferior esquerdo da janela seleciona qual componente de espalhamento da imagem STEM já calculada deve ser mostrado (alternável sem recalcular).
| Alvo de exibição | Descrição |
|---|---|
| Elastic | Imagem somente de espalhamento elástico |
| TDS | Imagem somente de espalhamento térmico difuso |
| Elastic & TDS | Soma de elástico + TDS |
Custo computacional¶
A simulação STEM é computacionalmente cara, portanto defina os parâmetros a seguir adequadamente.
| Fator | Impacto |
|---|---|
| Ângulo de convergência | Maior → mais sobreposição dos discos CBED → custo maior |
| Ondas de Bloch | O custo do problema de autovalores escala com N³ |
| Resolução angular | Mais fina → mais precisa, mas o custo escala com N² |
| Pixels da imagem (Size) | Escala linear com o número de pontos de varredura |
Importância do fator de temperatura¶
Para a simulação HAADF-STEM, os átomos devem ter um fator de temperatura isotrópico (fator de Debye-Waller) diferente de zero. Se o valor for desconhecido, defina \(B \approx 0.5\ \text{Å}^2\). Com um fator de temperatura nulo, a intensidade TDS é zero e a imagem HAADF não é calculada corretamente.
| Detector | Faixa | Contribuição principal |
|---|---|---|
| BF, ABF | Dentro do ângulo de convergência | Elástico |
| LAADF, HAADF | Fora do ângulo de convergência | Inelástico (TDS) |
Comparação com o Dr. Probe¶
Confirmou-se que as simulações STEM do ReciPro concordam estreitamente com a amplamente utilizada GUI Dr. Probe (v1.10). A figura abaixo compara as duas para os detectores BF, ABF, LAADF e HAADF ao longo de uma série de espessuras (2.96–60.05 nm), tanto sem aberração (esquerda) quanto com Cs = 0.2 mm, desfocagem = −25.9 nm (direita). Os dois códigos concordam em todos os tipos de detector e espessuras.
Um relatório mais detalhado está disponível em PDF: Comparação de simulações STEM pela GUI Dr. Probe (v1.10) e ReciPro (v4.854).