STEM 模擬¶
STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) 模擬使用布洛赫波法計算掃描穿透式電子顯微鏡影像。
本頁列出當 Image mode = STEM 時於右側出現的所有設定。關於左側的結果顯示、亮度與正規化控制項，請參閱總覽頁。下方僅重複說明 STEM 專屬的顯示目標。
總覽¶
會聚電子束在試樣上掃描，於每個掃描位置由環形偵測器收集穿透與散射的電子。ReciPro 以布洛赫波法（動力學計算）計算 STEM 影像。
計算流程¶
- 在每個掃描位置，以布洛赫波法針對會聚探針的每個入射方向計算繞射強度。
- 將散射強度在偵測器的角度範圍上積分。
- 可同時計算彈性與熱漫散射 (TDS) 的貢獻。
理論請參閱 Appendix A3.4 — STEM calculation。
偵測器類型¶
| 偵測器 | 角度範圍 | 主要貢獻 | 對比 |
|---|---|---|---|
| BF（明場） | 0 – 會聚角 | 彈性 | 相位對比 |
| ABF（環形明場） | 會聚角的內側部分 | 彈性 | 對輕元素敏感 |
| LAADF（小角環形暗場） | 略在會聚角外側 | 彈性 + TDS | 對應變敏感 |
| HAADF（大角環形暗場） | 遠在會聚角外側 | TDS（非彈性） | Z 對比（\(\propto Z^2\)） |
典型偵測器設定（每一項皆可從 STEM 選項的右鍵選單一鍵設定，全部使用會聚角 α = 25 mrad）： BF (0–5 mrad) / ABF (12–24 mrad) / LAADF (26–60 mrad) / HAADF (80–250 mrad)
試樣參數¶
- Thickness : 試樣厚度 (nm)。在 Serial image 模式下此值會被忽略。
TEM 條件¶
| 參數 | 說明 | 預設 / 典型 |
|---|---|---|
| Acc. Vol. (kV) | 加速電壓。經相對論修正的電子波長會顯示於旁邊 | 200 kV |
| Defocus Δf | 物鏡（探針成形透鏡）的欠焦 (nm) | −57.8 nm |
| Cs | 球面像差係數 (mm)。影響探針尺寸 | 0.5–1.0 mm |
| Cc | 色像差係數 (mm) | 1.0–2.0 mm |
| ΔV (FWHM) | 電子能量分布的半高全寬 (eV) | 0.5–2.0 eV |
β（照明半角）在 STEM 模式下停用，因為會聚角 α 取代了它的角色。
STEM 選項（光學）¶
設定會聚探針與環形偵測器的幾何。每個角度於右側也會換算為倒易空間半徑 \(\sin\theta/\lambda\) (nm⁻¹) 顯示。
| 參數 | 說明 | 預設 / 典型 |
|---|---|---|
| α (convergence angle) | 會聚探針的半角 (mrad)。較大的值會產生較細的探針並改變繞射對比 | 15–25 mrad |
| (Annular) detector inner angle | 環形偵測器的內側收集半角 (mrad)。此角度以內的訊號會被排除 | BF: 0, HAADF: 80 |
| (Annular) detector outer angle | 環形偵測器的外側收集半角 (mrad)。此角度以外的訊號會被排除 | BF: 5, HAADF: 250 |
| Effective source size σs (FWHM) | 有效電子源尺寸。較大的值會使探針模糊並降低細節對比 | — |
STEM 選項（模擬）¶
- Slice thickness for inelastic : 計算 TDS（熱漫、非彈性）強度時所用的試樣切片厚度 (nm)。較小的值較準確但較慢。
- Angular resolution : 入射探針方向的角度取樣解析度 (mrad)。較小的值對探針取樣較細但較慢。
影像模式（single / serial）¶
- Single image : 在目前厚度計算一張 STEM 影像。
- Serial image : 產生一系列影像，厚度 / 欠焦會分階段遞變（以 Start / Step / Num 設定；下方的清單也可直接編輯）。
影像內容¶
- Size (W×H) : 掃描影像的像素數（預設 512×512）。在 STEM 中此值等於掃描點數，並使計算時間線性增加。
- Resolution : 取樣解析度 (pm/px)。
繞射波¶
- Max Bloch waves : Bethe 法所用布洛赫波的最大數目（預設 80）。本徵值問題的計算成本隨波數的立方增加。
STEM 顯示目標（結果側）¶
視窗左下角的顯示切換可選擇顯示已計算 STEM 影像中的哪個散射分量（可在不重新計算的情況下切換）。
| 顯示目標 | 說明 |
|---|---|
| Elastic | 僅彈性散射的影像 |
| TDS | 僅熱漫散射的影像 |
| Elastic & TDS | 彈性 + TDS 的總和 |
計算成本¶
STEM 模擬的計算成本很高，因此請適當設定下列參數。
| 因素 | 影響 |
|---|---|
| 會聚角 | 較大 → CBED 盤重疊較多 → 成本較高 |
| 布洛赫波 | 本徵值問題的成本隨 N³ 增加 |
| 角度解析度 | 較細 → 較準確，但成本隨 N² 增加 |
| 影像像素 (Size) | 隨掃描點數線性增加 |
溫度因子的重要性¶
對於 HAADF-STEM 模擬，原子必須具有非零的等向性溫度因子（德拜-沃勒因子）。若該值未知，請設定 \(B \approx 0.5\ \text{Å}^2\)。若溫度因子為零，TDS 強度即為零，HAADF 影像便無法正確計算。
| 偵測器 | 範圍 | 主要貢獻 |
|---|---|---|
| BF, ABF | 會聚角以內 | 彈性 |
| LAADF, HAADF | 會聚角以外 | 非彈性 (TDS) |
與 Dr. Probe 的比較¶
已確認 ReciPro 的 STEM 模擬與廣為使用的 Dr. Probe GUI (v1.10) 高度吻合。下圖針對 BF、ABF、LAADF 與 HAADF 偵測器，在一系列厚度（2.96–60.05 nm）下比較兩者，包含無像差（左）以及 Cs = 0.2 mm、欠焦 = −25.9 nm（右）兩種情況。兩套程式在所有偵測器類型與厚度上皆一致。
更詳細的報告以 PDF 形式提供：Comparison of STEM simulations by Dr. Probe GUI (v1.10) and ReciPro (v4.854)。