Моделирование STEM¶

Моделирование STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) вычисляет изображения растровой просвечивающей электронной микроскопии методом блоховских волн.

На этой странице перечислены все настройки, которые появляются справа, когда выбрано Image mode = STEM. Об элементах управления отображением результата, яркостью и нормировкой слева см. страницу обзора. Ниже повторяется только специфичная для STEM цель отображения.

Обзор¶

Сходящийся электронный пучок сканируется по образцу, а прошедшие и рассеянные электроны в каждой точке сканирования регистрируются кольцевыми детекторами. ReciPro вычисляет STEM-изображение методом блоховских волн (динамический расчёт).

Ход расчёта¶

В каждой точке сканирования вычислите дифрагированные интенсивности методом блоховских волн для каждого направления падения сходящегося зонда.
Проинтегрируйте рассеянную интенсивность по угловому диапазону детектора.
Могут быть вычислены вклады как упругого, так и теплового диффузного рассеяния (TDS).

Теорию см. в Приложении A3.4 — Расчёт STEM.

Типы детекторов¶

Детектор	Угловой диапазон	Основной вклад	Контраст
BF (светлое поле)	0 – угол сходимости	Упругий	Фазовый контраст
ABF (кольцевое светлое поле)	Внутренняя часть угла сходимости	Упругий	Чувствительность к лёгким элементам
LAADF (кольцевое тёмное поле при малом угле)	Сразу за углом сходимости	Упругий + TDS	Чувствительность к деформациям
HAADF (кольцевое тёмное поле при большом угле)	Значительно за углом сходимости	TDS (неупругий)	Z-контраст (\(\propto Z^2\))

Типичные настройки детекторов (каждая доступна одним щелчком из контекстного меню параметров STEM, все с углом сходимости α = 25 mrad): BF (0–5 mrad) / ABF (12–24 mrad) / LAADF (26–60 mrad) / HAADF (80–250 mrad)

Параметры образца¶

Thickness : толщина образца (nm). Это значение игнорируется в режиме Serial image.

Условия ПЭМ¶

Параметр	Описание	По умолчанию / типично
Acc. Vol. (kV)	Ускоряющее напряжение. Рядом отображается релятивистски скорректированная длина волны электрона	200 kV
Defocus Δf	Дефокусировка объективной (формирующей зонд) линзы (nm)	−57.8 nm
Cs	Коэффициент сферической аберрации (mm). Влияет на размер зонда	0.5–1.0 mm
Cc	Коэффициент хроматической аберрации (mm)	1.0–2.0 mm
ΔV (FWHM)	Полная ширина на половине высоты разброса энергии электронов (eV)	0.5–2.0 eV

β (полуугол освещения) отключён в режиме STEM, поскольку его роль выполняет угол сходимости α.

Параметры STEM (оптические)¶

Задайте геометрию сходящегося зонда и кольцевого детектора. Справа каждый угол также показан в пересчёте на радиус в обратном пространстве \(\sin\theta/\lambda\) (nm⁻¹).

Параметр	Описание	По умолчанию / типично
α (convergence angle)	Полуугол сходящегося зонда (mrad). Бо́льшие значения дают более тонкий зонд и изменяют дифракционный контраст	15–25 mrad
(Annular) detector inner angle	Внутренний полуугол сбора кольцевого детектора (mrad). Сигнал внутри этого угла исключается	BF: 0, HAADF: 80
(Annular) detector outer angle	Внешний полуугол сбора кольцевого детектора (mrad). Сигнал за пределами этого угла исключается	BF: 5, HAADF: 250
Effective source size σs (FWHM)	Эффективный размер источника электронов. Бо́льшие значения размывают зонд и снижают контраст мелких деталей	—

Параметры STEM (моделирование)¶

Slice thickness for inelastic : толщина слоя образца (nm), используемая при вычислении интенсивности TDS (тепловое диффузное, неупругое). Меньшие значения точнее, но медленнее.
Angular resolution : угловое разрешение выборки направлений падения зонда (mrad). Меньшие значения дискретизируют зонд более мелко, но медленнее.

Режим изображения (single / serial)¶

Single image : вычислить одно STEM-изображение при текущей толщине.
Serial image : сформировать серию изображений с пошаговым изменением толщины / дефокусировки (задаётся через Start / Step / Num; список ниже также можно редактировать напрямую).

Свойства изображения¶

Size (W×H) : число пикселей сканированного изображения (по умолчанию 512×512). В STEM это равно числу точек сканирования и линейно масштабирует время вычисления.
Resolution : разрешение выборки (pm/px).

Дифрагированные волны¶

Max Bloch waves : максимальное число блоховских волн, используемых в методе Бете (по умолчанию 80). Стоимость задачи на собственные значения масштабируется как куб числа волн.

Цель отображения STEM (со стороны результата)¶

Переключатель отображения внизу слева в окне выбирает, какую компоненту рассеяния уже вычисленного STEM-изображения показать (переключается без пересчёта).

Цель отображения	Описание
Elastic	Изображение только из упругого рассеяния
TDS	Изображение только из теплового диффузного рассеяния
Elastic & TDS	Сумма упругого + TDS

Вычислительная стоимость¶

Моделирование STEM требует больших вычислительных затрат, поэтому следующие параметры следует выбирать соответствующим образом.

Фактор	Влияние
Угол сходимости	Больше → больше перекрытие дисков CBED → выше стоимость
Блоховские волны	Стоимость задачи на собственные значения масштабируется как N³
Угловое разрешение	Тоньше → точнее, но стоимость масштабируется как N²
Пиксели изображения (Size)	Линейное масштабирование с числом точек сканирования

Важность температурного фактора¶

Для моделирования HAADF-STEM атомы должны иметь ненулевой изотропный температурный фактор (фактор Дебая–Валлера). Если значение неизвестно, задайте \(B \approx 0.5\ \text{Å}^2\). При нулевом температурном факторе интенсивность TDS равна нулю, и HAADF-изображение вычисляется неверно.

Детектор	Диапазон	Основной вклад
BF, ABF	Внутри угла сходимости	Упругий
LAADF, HAADF	За пределами угла сходимости	Неупругий (TDS)

Сравнение с Dr. Probe¶

Подтверждено, что STEM-моделирования ReciPro близко согласуются с широко используемым графическим интерфейсом Dr. Probe (v1.10). На рисунке ниже сравниваются оба для детекторов BF, ABF, LAADF и HAADF по серии толщин (2.96–60.05 nm), как без аберраций (слева), так и с Cs = 0.2 mm, дефокусировка = −25.9 nm (справа). Обе программы согласуются по всем типам детекторов и толщинам.

Более подробный отчёт доступен в виде PDF: Сравнение STEM-моделирований графическим интерфейсом Dr. Probe (v1.10) и ReciPro (v4.854).