Name: picometer-precision atomic position tracking through electron microscopy
Uploaded: 2021-07-03T14:00:00
Duration: 15 min 4 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Picometer-Precision Atomic Position Tracking through Electron Microscopy at JoVE.com

L.M وN.A.العمل بدعم من مركز ولاية بنسلفانيا للعلوم النانوية، وهو MRSEC NSF تحت رقم المنحة DMR-2011839 (2020 -2026). D.M. تم دعمه من قبل برنامج البحث والتطوير الموجه مختبر ORNL (LDRD)، الذي تديره UT-Battelle، ذ.م.م، لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). A.C وN.A. الاعتراف مكتب القوات الجوية للبحث العلمي (AFOSR) برنامج FA9550-18-1-0277 فضلا عن لعبة موري، 10059059-PENN للحصول على الدعم.

<ol>
	<li>Batson, P. E., Dellby, N., Krivanek, O. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sub-a&#229;ngstrom+resolution+using+aberration+corrected+electron+optics.">Sub-a&#229;ngstrom resolution using aberration corrected electron optics.</a> Nature. , (2002).</li><li>Haider, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+microscopy+image+enhanced.">Electron microscopy image enhanced.</a> Nature. , (1998).</li><li>Muller, D. A., Nakagawa, N., Ohtomo, A., Grazul, J. L., Hwang, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-scale+imaging+of+nanoengineered+oxygen+vacancy+profiles+in+SrTiO3.">Atomic-scale imaging of nanoengineered oxygen vacancy profiles in SrTiO3.</a> Nature. , (2004).</li><li>Findlay, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+atomic+resolution+imaging+of+light+elements+using+scanning+transmission+electron+microscopy.">Robust atomic resolution imaging of light elements using scanning transmission electron microscopy.</a> Applied Physics Letters. , (2009).</li><li>Tate, M. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Dynamic+Range+Pixel+Array+Detector+for+Scanning+Transmission+Electron+Microscopy.">High Dynamic Range Pixel Array Detector for Scanning Transmission Electron Microscopy.</a> Microscopy and Microanalysis. , (2016).</li><li>Rodenburg, J. M., McCallum, B. C., Nellist, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+tests+on+double-resolution+coherent+imaging+via+STEM.">Experimental tests on double-resolution coherent imaging via STEM.</a> Ultramicroscopy. 48, 304-314 (1993).</li><li>Jiang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+ptychography+of+2D+materials+to+deep+sub-&#229;ngstr&#246;m+resolution.">Electron ptychography of 2D materials to deep sub-&#229;ngstr&#246;m resolution.</a> Nature. 559, 343-349 (2018).</li><li>Yang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deciphering+chemical+order/disorder+and+material+properties+at+the+single-atom+level.">Deciphering chemical order/disorder and material properties at the single-atom level.</a> Nature. , (2017).</li><li>Bals, S., Van Aert, S., Van Tendeloo, G., &#193;vila-Brande, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistical+estimation+of+atomic+positions+from+exit+wave+reconstruction+with+a+precision+in+the+picometer+range.">Statistical estimation of atomic positions from exit wave reconstruction with a precision in the picometer range.</a> Physics Review Letters. , (2006).</li><li>Kim, Y. M., He, J., Biegalski, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+oxygen+vacancy+concentration+and+homogeneity+in+solid-oxide+fuel-cell+cathode+materials+on+the+subunit-cell+level.">Probing oxygen vacancy concentration and homogeneity in solid-oxide fuel-cell cathode materials on the subunit-cell level.</a> Nature Mater. 11, (2012).</li><li>Azizi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Defect+Coupling+and+Sub-Angstrom+Structural+Distortions+in+W1-xMoxS2+Monolayers.">Defect Coupling and Sub-Angstrom Structural Distortions in W1-xMoxS2 Monolayers.</a> Nano Letters. , (2017).</li><li>Reifsnyder Hickey, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Illuminating+Invisible+Grain+Boundaries+in+Coalesced+Single-Orientation+WS2+Monolayer+Films.">Illuminating Invisible Grain Boundaries in Coalesced Single-Orientation WS2 Monolayer Films.</a> arXiv. , (2020).</li><li>Mukherjee, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-scale+measurement+of+polar+entropy.">Atomic-scale measurement of polar entropy.</a> Physics Review B. 100, 1-21 (2019).</li><li>Yadav, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+polar+vortices+in+oxide+superlattices.">Observation of polar vortices in oxide superlattices.</a> Nature. , (2016).</li><li>Yankovich, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-rigid+registration+and+non-local+principle+component+analysis+to+improve+electron+microscopy+spectrum+images.">Non-rigid registration and non-local principle component analysis to improve electron microscopy spectrum images.</a> Nanotechnology. , (2016).</li><li>Ishizuka, K., Abe, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improvement+of+Spatial+Resolution+of+STEM-HAADF+Image+by+Maximum-Entropy+and+Richardson-Lucy+Deconvolution.">Improvement of Spatial Resolution of STEM-HAADF Image by Maximum-Entropy and Richardson-Lucy Deconvolution.</a> EMC. , (2004).</li><li>Ophus, C., Ciston, J., Nelson, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correcting+nonlinear+drift+distortion+of+scanning+probe+and+scanning+transmission+electron+microscopies+from+image+pairs+with+orthogonal+scan+directions.">Correcting nonlinear drift distortion of scanning probe and scanning transmission electron microscopies from image pairs with orthogonal scan directions.</a> Ultramicroscopy. , (2016).</li><li>Lee, C. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+learning+enabled+strain+mapping+of+single-atom+defects+in+two-dimensional+transition+metal+dichalcogenides+with+sub-picometer+precision.">Deep learning enabled strain mapping of single-atom defects in two-dimensional transition metal dichalcogenides with sub-picometer precision.</a> Nano Letters. , (2020).</li><li>Savitzky, B. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bending+and+breaking+of+stripes+in+a+charge+ordered+manganite.">Bending and breaking of stripes in a charge ordered manganite.</a> Nature Communications. 8, 1-6 (2017).</li><li>Stone, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+scale+imaging+of+competing+polar+states+in+a+Ruddlesden-Popper+layered+oxide.">Atomic scale imaging of competing polar states in a Ruddlesden-Popper layered oxide.</a> Natature Communications. 7, 1-9 (2016).</li><li>Mukherjee, D., Miao, L., Stone, G., Alem, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=mpfit:+a+robust+method+for+fitting+atomic+resolution+images+with+multiple+Gaussian+peaks.">mpfit: a robust method for fitting atomic resolution images with multiple Gaussian peaks.</a> Advanced Structural and Chemical Imaging. , (2020).</li><li>Wang, Y., Salzberger, U., Sigle, W., Eren Suyolcu, Y., van Aken, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+octahedra+picker:+A+software+tool+to+extract+quantitative+information+from+STEM+images.">Oxygen octahedra picker: A software tool to extract quantitative information from STEM images.</a> Ultramicroscopy. 168, 46-52 (2016).</li><li>Nord, M., Vullum, P. E., MacLaren, I., Tybell, T., Holmestad, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomap:+a+new+software+tool+for+the+automated+analysis+of+atomic+resolution+images+using+two-dimensional+Gaussian+fitting.">Atomap: a new software tool for the automated analysis of atomic resolution images using two-dimensional Gaussian fitting.</a> Advanced Structral and Chemical Imaging. 3, 9 (2017).</li><li>De Backer, A., vanden Bos, K. H. W., Vanden Broek, W., Sijbers, J., Van Aert, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=StatSTEM:+An+efficient+approach+for+accurate+and+precise+model-based+quantification+of+atomic+resolution+electron+microscopy+images.">StatSTEM: An efficient approach for accurate and precise model-based quantification of atomic resolution electron microscopy images.</a> Ultramicroscopy. 171, 104-116 (2016).</li><li>Yankovich, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Picometre-precision+analysis+of+scanning+transmission+electron+microscopy+images+of+platinum+nanocatalysts.">Picometre-precision analysis of scanning transmission electron microscopy images of platinum nanocatalysts.</a> Nature Communications. , (2014).</li></ol>

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

عند العمل على تجهيز ما بعد الاستحواذ ، يجب توخي بعض الحذر أيضا. لتبدأ، أثناء تصحيح الانجراف الصورة، الخوارزمية يفترض أن الصورة 0 درجة لديه اتجاه المسح الضوئي السريع الأفقي، لذلك تحقق مرتين الاتجاه قبل الحساب. إذا لم يتم تعيين اتجاه المسح بشكل صحيح، فإن خوارزمية التصحيح الانجراف تفشل وربما حتى إدخال القطع الأثرية في الإخراج17. ثم أثناء التصوير denoising، قد إدخال بعض الطرق قطعة أثرية. على سبيل المثال، قد تؤدي تصفية فورييه إلى تباين عمود الذرة في مواقع الشواغر أو إزالة الميزات الدقيقة في الصور، إذا لم تكن الدقة المكانية محدودة بشكل صحيح. ونتيجة لذلك ، من المهم للغاية التحقق مما إذا كانت الصور التي تم denتها تشبه إلى حد كبير صور الإدخال الخام الأصلية.
بعد ذلك، عند تحديد المواقع الذرية الأولية استنادا إلى الحد الأقصى/الحد الأدنى المحلي، حاول ضبط الحد الأدنى للمسافة بين القمم لتجنب إنشاء مواقع زائدة بين الأعمدة الذرية. هذه المواقف الزائدة هي القطع الأثرية التي تم إنشاؤها بسبب الخوارزمية عن طريق الخطأ التعرف على الحد الأقصى المحلي / مينيما في الصورة كأعمدة ذرية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمرء ضبط قيمة العتبة للعثور على معظم المواقف إذا كانت هناك اختلافات تباين كبيرة بين الأنواع الذرية المختلفة في الصورة (على سبيل المثال، في صور ADF-STEM من WS2). بعد الحصول على معظم المواقع الذرية الأولية في الصورة، حاول إضافة تلك المفقودة يدويا أو إزالة تلك الإضافية مع أفضل جهد. وعلاوة على ذلك ، فإن طريقة فهرسة الذرات هي الأكثر فعالية عندما لا تكون هناك انقطاعات كبيرة في الدوريات داخل الصورة. عند وجود انقطاعات مثل حدود الحبوب أو حدود المرحلة المعروضة في الصورة، قد تفشل الفهرسة. الحل لهذه المشكلة هو تحديد مجالات الاهتمام في الصورة (بالنقر فوق الزر تحديد منطقة الاهتمام في التطبيق EASY-STEM)، ومن ثم فهرسة وصقل المواقف داخل كل منطقة على حدة. بعد ذلك ، يمكن للمرء بسهولة الجمع بين مجموعات البيانات من مناطق مختلفة في نفس الصورة في مجموعة واحدة من البيانات والعمل على التحليل.
وأخيرا، بعد تطبيق تجهيزات الذروة 2D-Gaussian، مبعثر نقاط المواقف المكررة على صورة الإدخال للتحقق من النتائج المناسبة لمعرفة ما إذا كانت المواقف المكررة تنحرف عن الأعمدة الذرية. الدقة التي توفرها خوارزمية تركيب غاوسي واحد كافية في معظم التجارب STEM; ومع ذلك، إذا انحرف الموضع بسبب كثافة من ذرة المجاورة، استخدم خوارزمية تركيب متعددة الذروة (mpfit) بدلا من ذلك لعزل كثافة من الأعمدة الذرية المجاورة21. وإلا، إذا انحرف الموضع بسبب مشكلة جودة الصورة أو انخفاض الكثافة من أعمدة الذرة المحددة، يقترح تجاهل الموضع المجهز في ذلك الموقع.
هناك العديد من الخوارزميات الموجودة والمتخصصة لقياس الموضع الذري ، على سبيل المثال ، برنامج منتقي الأكسجين octahedra22، حزمة Atomap python23، وحزمة StatSTEM Matlab24. ومع ذلك، هذه الخوارزميات لها بعض القيود في جوانب معينة. على سبيل المثال ، يتطلب منتقي أوكثالدرا الأكسجين إدخال صور STEM لاحتواء أعمدة ذرية تم حلها بوضوح فقط ، وبالتالي فشل في معالجة المشكلة في الصور ذات الأعمدة الذرية المتداخلةالكثافة 21. من ناحية أخرى ، على الرغم من أن Atomap يمكن حساب مواقف "الدمبل مثل" الأعمدة الذرية ، فإن العملية ليست واضحة جدا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن StatSTEM هي خوارزمية رائعة لقياس الكثافات المتداخلة ، ولكن عملية التركيب التكرارية المستندة إلى النموذج مكلفة حسابيا21. في المقابل ، يمكن لنهجنا ، الذي تم تقديمه في هذا العمل جنبا إلى جنب مع تطبيق Matlab EASY-STEM ، المدمج مع خوارزمية mpfit المتقدمة ، معالجة مشكلة الكثافة المتداخلة وأقل تكلفة حسابيا من StatSTEM ، مع تقديم دقة قياس تنافسية. وعلاوة على ذلك، تم تصميم التحليل من Atomap وحزم برامج منتقي الأكسجين octahedra والمتخصصة لتحليل البيانات من بلورات ABO3 perovskite، في حين أن نظام الفهرسة هو مبين في هذا العمل هو أكثر مرونة بكثير حول أنظمة المواد المختلفة. مع الأسلوب في هذا العمل ، يمكن للمستخدمين تصميم وتخصيص تحليل البيانات لأنظمة المواد الفريدة الخاصة بهم استنادا إلى نتائج الإخراج التي تحتوي على كل من المواقف الذرية المكررة وفهرسة متجهات الخلية الوحدة.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig06.jpg"> الشكل 6:القياس الكمي الإحصائي للنتيجة الموقع الذري. (أ) توزيع perovskite A-الموقع إلى مسافة موقع A المعروضة في المدرج البياني. يتم رسم تركيب التوزيع العادي ومتراكبة كما خط أحمر متقطعة تبين متوسط 300.5 pm والانحراف المعياري من 4.8 pm. (ب) يتم تقديم القياس الكمي الإحصائي لقياس زاوية متجه الخلية perovskite وحدة كمخطط. يتم رسم تركيب التوزيع العادي وتراكبه كخط أحمر متقطع يظهر متوسط 90.0 درجة والانحراف المعياري 1.3 درجة. (ج)يتم تقديم القياس الكمي الإحصائي لقياس الإزاحة القطبية في Ca3Ru2O7 (CRO) على أنه مخطط بياني. يتم رسم تركيب التوزيع العادي وتراكبه كخط أحمر متقطع يظهر متوسط الساعة 25.6 مساء والانحراف المعياري في الساعة 7:7 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig06large.jpg" target="_blank">مساء.</a>
الطريقة التي أدخلت هنا يوفر دقة على مستوى picometer والبساطة للتنفيذ. ولإثبات دقة القياس، يعرض القياس الكمي الإحصائي لنتيجة الموضع الذري في الشكل 6. يتم رسم قياسات توزيع مسافة ABO 3 perovskite A-site وتوزيعزاوية متجه الخلية الموحدة باستخدام الرسم البياني في الشكل 6a والشكل 6ب، على التوالي. ومن خلال تركيب منحنى التوزيع العادي على التوزيعات، يظهر التوزيع عن بعد في الموقع A متوسطا قدره 300.5 مساء وانحرافا معياري قدره 4.8 مساء، ويظهر توزيع زاوية متجه الخلية وحدة متوسطا قدره 90.0 درجة وانحرافا معياري قدره 1.3 درجة. ويشير القياس الكمي الإحصائي إلى أن الطريقة المقترحة هنا تمكن من الدقة على مستوى البيكمتر ويمكن أن تخفف إلى حد كبير من التشويه بسبب الانجراف أثناء التصوير. وتشير هذه النتيجة إلى أن هذا القياس جدير بالثقة عندما تكون المعلومات المادية التي سيتم قياسها أكبر أو مساوية لما يقرب من الساعة 10 مساء. على سبيل المثال، في حالة بلورات CRO المذكورة أعلاه، يتم عرض قياس حجم الإزاحة القطبية في الشكل 6c. يظهر القياس متوسطا قدره 25.6 مساء، وانحرافا معياريا قدره 7.7 مساء، ويظهر أن قياس الإزاحة القطبية في صور CRO STEM صلب. بالإضافة إلى ذلك، يجب توخي المزيد من الحذر في حالة وجود قيود تجريبية مثل انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء عند تصوير العينات الحساسة للشعاع. وفي هذه الحالات، يلزم فحص المواقع الذرية المقاسة عن كثب مقابل الصور الأولية لضمان صحة القياس. وبالتالي، فإن طريقة التحليل المقدمة هنا لها حدود لدقة القياس بالمقارنة مع الخوارزميات الأكثر حداثة وتقدما. أسلوبنا غير كاف عندما تكون الدقة مطلوبة على مستوى البيكوميتر الفرعي ، لذلك من الضروري إجراء تحليل أكثر تقدما إذا كانت الميزة التي سيتم استخراجها في الصورة أقل من عتبة معينة. على سبيل المثال، أظهرت خوارزمية التسجيل غير الصلبة قياس الدقة دون علم القياس على السيليكون وتمكن من قياس دقيق لتباين طول السندات على جسيمات نانوية Ptواحدة 25. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام خوارزمية التعلم العميق لتحديد أنواع مختلفة من عيوب النقاط في الطبقات الأحادية dichalcogenides المعدنية الانتقالية 2-D من كمية هائلة من بيانات صورة STEM. في وقت لاحق ، تم إجراء القياس على متوسط صورة أنواع مختلفة من العيوب وأظهرت هذه الطريقة أيضا دقة مستوى البيكوميتر الفرعي على التشويه حول تلك العيوب18. وبالتالي، وكخطة مستقبلية لزيادة القدرة على التحليل، نحن في تقدم تطوير وتنفيذ خوارزميات أكثر تقدما مثل التعلم العميق. وسنحاول أيضا دمجها في تحديثات أدوات تحليل البيانات في المستقبل.

وقد مكن تطور تصحيح الانحراف الكروي في المجهر الإلكتروني الحديث لنقل المسح الضوئي (STEM) علماء المجهر من استكشاف بلورات مع أشعة إلكترون بحجم أنغستروم الفرعي1،2. وقد سمح هذا التصوير من الأعمدة الذرية الفردية في مجموعة واسعة من بلورات مع صور دقة الذرية INTERPRETABLE لكل من العناصر الثقيلة والخفيفة3،4. وقد مكنت التطورات الأخيرة في كاشفات الإلكترونات المباشرة المنقطة وخوارزميات تحليل البيانات تقنيات التصوير المرحلة إعادة الإعمار، مثل ptychography، مع مزيد من التحسينات في القرار المكاني إلى حوالي الساعة 30 مساء5،6،7. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التقدم الأخير في التصوير المقطعي STEM مكن حتى من إعادة بناء الدقة الذرية ثلاثية الأبعاد للجسيمات النانويةالوحيدة 8. وهكذا أصبح المجهر الإلكتروني أداة قوية للغاية لقياس الخصائص الهيكلية في المواد بدقة عالية وخصوصية الموقع على حد سواء.
مع صور STEM فائقة الدقة كمدخلات بيانات ، تم إجراءقياساتمباشرة للتشوهات الهيكلية لاستخراج المعلومات المادية من البلورات على المقياس الذري 9،10. على سبيل المثال، تم تصور اقتران العيب بين مو دوبينت في الطبقة الأحادية WS2 وشغور S واحد مباشرة عن طريق قياس المواقف الذرية ومن ثم حساب أطوال السندات المتوقعة11. وعلاوة على ذلك، فإن القياس على واجهات الكريستال، مثل حدود الحبوب المتجمعة في الطبقة الواحدة WS2،يمكن أن يحمل الترتيب الذري المحلي12. كشف التحليل بين البينية التي أجريت على جدران المجال الحديدية الكهربائية في LiNbO3 جدار المجال ليكون مزيجا من Ising ونيل الدول13. مثال آخر هو تصور هياكل الدوامة القطبية التي تحققت في SrTiO3- PbTiO3 superlattices ، التي تحققت من خلال حساب إزاحة العمود الذري التيتانيوم فيما يتعلق السترونتيوم وأعمدة الرصاص المواقف14. وأخيرا ، فإن التقدم في خوارزميات رؤية الكمبيوتر ، مثل denoising صورة مع غير المحلية تحليل عنصر المبدأ15، ريتشاردسون ولوسي deconvolution16، drift-correction مع تسجيل غير خطي17، والتعرف على نمط مع التعلم العميق ، عززت بشكل كبير دقة القياس إلى الدقة دون picometer18. ومن الأمثلة على ذلك محاذاة وتسجيل صور عدة صور سريعة المسح المبرد -STEM لتعزيز نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في وقت لاحق ، تم تطبيق تقنية إخفاء فورييه لتحليل موجات كثافة الشحنة في البلورات من خلال تصور تشويه الشبكة الدوري19مباشرة. على الرغم من أن أجهزة STEM التي تم تصحيحها بشكل لا يصدق متاحة بشكل متزايد للباحثين في جميع أنحاء العالم ، إلا أن إجراءات وأساليب تحليل البيانات المتقدمة لا تزال غير شائعة وحاجزا هائلا أمام واحد بدون خبرة في تحليل البيانات.
في العمل الحالي، نعرض المسار الكامل لمقاييس صور STEM بدقة ذرية. وتشمل هذه العملية أولا الحصول على صور STEM بمجهر مصحح للانحرافات يليه إجراء تصحيح للانجراف/المحو بعد الاستحواذ لتعزيز دقة القياس. ثم سنناقش الأساليب الحالية لحل وتحديد مواقع عمود الذرة بدقة إما مع تركيب ذروة واحدة 2D-Gaussian أو إجراءات تركيب متعددة الذروة للأعمدة الذرية المتداخلة قليلا20،21. وأخيرا، فإن هذا البرنامج التعليمي مناقشة أساليب للقياس الكمي لتشويه شعرية / سلالة داخل هياكل الكريستال أو في العيوب / واجهات حيث يتم تعطيل دورية شعرية. كما سنقدم تطبيق MATLAB مجاني بسيط ذاتي التطوير (EASY-STEM) مع واجهة مستخدم رسومية (GUI) يمكن أن تساعد في تحليل صور STEM دون الحاجة إلى كتابة رمز تحليل مخصص أو برنامج. يمكن تطبيق طرق تحليل البيانات المتقدمة المعروضة هنا للقياس الكمي المحلي لاسترخاء العيوب ، والتشوهات الهيكلية المحلية ، والتحولات المحلية في المرحلة ، وعدم التماثل في مجموعة واسعة من المواد.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>EASY-STEM</td>
			<td>Nasim Alem Group, Pennsylvania State University</td>
			<td></td>
			<td>Matlab app for STEM image processing; Download link: https://github.com/miaoleixin1994/EASY-STEM.git</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JoVE article example script</td>
			<td>Nasim Alem Group, Pennsylvania State University</td>
			<td></td>
			<td>Example Script for sorting atoms in unit cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab Optimization Tool Box</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>Optimization add-on packge in Matlab</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>Numerical calculation software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab: Image Processing Tool Box</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>Image processing add-on packge in Matlab</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

picometer-precision atomic position tracking through electron microscopy

وقد حققت المجاهر الإلكترونية الحديثة المصححة للمسح الضوئي (AC-STEM) بنجاح تصورا مباشرا للأعمدة الذرية بدقة دون أنغستروم. ومع هذا التقدم الكبير، لا يزال القياس الكمي والتحليل المتقدم للصور في المراحل المبكرة. في هذا العمل، نقدم المسار الكامل لمقاييس الدقة الذرية المسح الضوئي لنقل المجهر الإلكتروني (STEM) الصور. ويشمل ذلك (1) نصائح للحصول على صور STEM عالية الجودة؛ (2) نصائح للحصول على صور STEM عالية الجودة؛ (2) الحصول على صور STEM عالية الجودة؛ (2) الحصول على صور STEM عالية الجودة؛ (2) المحو والتصحيح الانجرافي لتعزيز دقة القياس؛ (3) الحصول على المواقع الذرية الأولية؛ (4) فهرسة الذرات على أساس ناقلات خلايا الوحدة؛ (5) تحديد مواقع عمود الذرة إما بتركيب ذروة واحدة 2D-Gaussian أو (6) إجراءات تركيب متعددة الذروات للأعمدة الذرية المتداخلة قليلا؛ (7) تحديد كمي لتشويه الشبكة / سلالة داخل هياكل الكريستال أو في العيوب / واجهات حيث يتم تعطيل دورية شعرية؛ و (8) بعض الطرق الشائعة لتصور وتقديم التحليل.
وعلاوة على ذلك، سيتم تقديم تطبيق MATLAB مجاني بسيط تم تطويره ذاتيا (EASY-STEM) مع واجهة مستخدم رسومية (GUI). يمكن أن تساعد واجهة المستخدم الرسومية في تحليل صور STEM دون الحاجة إلى كتابة رمز تحليل مخصص أو برنامج. يمكن تطبيق طرق تحليل البيانات المتقدمة المعروضة هنا للقياس الكمي المحلي لاسترخاء العيوب ، والتشوهات الهيكلية المحلية ، والتحولات المحلية في المرحلة ، وعدم التماثل في مجموعة واسعة من المواد.

ويبين الشكل 3 نتائج المثال لتتبع الموضع الذري باتباع الخطوتين 1 و2 في البروتوكول. تظهر صورة ADF-STEM الخام لخلية وحدة من ABO3 perovskite في الشكل 3a، ويتم رسم ملفها الشخصي للكثافة في 3-D في الشكل 3b. يظهر الشكل 3c النتيجة بعد تطبيق تصفية Gaussian على صورة STEM في الشكل 3a، ويتم رسم ملف تعريف الكثافة في الشكل 3d. يتم تحديد المواقف الأولية من خلال العثور على الحد الأقصى المحلي في الصورة ويشار إلى المواقف من قبل دوائر صفراء في الشكل 3e. يتم فهرسة المواقع الذرية استنادا إلى متجه الخلية الوحدة ويظهر في الشكل 3f. بعد العثور على الموضع الأولي وفهرسته ، يتم تطبيق تركيب 2D-Gaussian لزيادة تحسين القياس. في الشكل 3G والشكل 3h، يشار إلى المواقف المجهزة كدوائر حمراء ، يتم تحسين دقة القياس حيث تكون المواضع المكررة أقرب إلى المركز مقارنة بالمواقف الأولية (الدوائر الصفراء). وأخيرا، يتم عرض ميزة تطبيق خوارزمية mpfit على كثافة متداخلة في صورة ADF-STEM من الكريستال BaMnSb2 (الشكل 3i). يفشل تركيب 2D-Gaussian العادي (الدوائر الحمراء) بشدة على أعمدة Mn كما أبرزته الأسهم الصفراء ، في حين أن خوارزمية mpfit يمكنها تحديد المواقف بدقة أكبر (الدوائر الخضراء).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig04.jpg"> الشكل 4: صورة HAADF-STEM لكريستال Ca3Ru2O7 (CRO). (أ)الصورة المكبرة لصورة ADF-STEM لكريستال Ca3Ru2O7 (CRO) مع الهيكل البلوري المخطط. يتم تمييز الإزاحة النسبية لذرة Ca في طبقة perovskite بالسهم الأصفر. (ب) صورة ADF-STEM المصححة والمنجرفة ل CRO و(ج)مع وضعية ذرية مكررة متراكبة (النقاط الحمراء). (د)مثال على استخدام نظام الفهرسة لتحديد العليا (الأحمر) ، مركز (الأزرق) وأقل (الأصفر) ذرات كاليفورنيا في طبقة perovskite. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig04large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
تظهر صورة HAADF-STEM ل Ca3Ru2O7 (CRO) في الشكل 4a والشكل 4b (مع الهيكل البلوري المتراكب). CRO هو بلورة المرحلة رودليسدن بوبر perovskite مع مجموعة الفضاء القطبي A21صباحا. يظهر التصوير ADF-STEM التباين من العناصر الأثقل جيدا (Ca و Ru) ، ولكن لا يتم تصور ذرات O كذرات أخف وزنا لا تبعثر الحزمة القوية بما يكفي لتصبح مرئية مع كاشفات HAADF. يحدث عدم التماثل في الهيكل البلوري بسبب إمالة أوكتاهدرا ويمكن تصوره في صور ADF-STEM من خلال تحليل إزاحة ذرة Ca في وسط طبقة perovskite المزدوجة. باتباع الخطوات المذكورة في قسم البروتوكول، يمكن تحديد موقع جميع المواقع الذرية في هذه الصورة من خلال العثور على مراكز القمم 2D-Gaussian المجهزة، كما هو موضح في الشكل 4c. وعلاوة على ذلك، باستخدام نظام الفهرسة، في الخطوة 3-2، يمكن تحديد كل نوع من الذرة في الخلية الموحدة واستخدامه لمزيد من المعالجة. على سبيل المثال، يمكن التعرف بسهولة على ذرات Ca في الجانب العلوي والوسط والسفلي من الطبقة المزدوجة perovskite ويتم عرض مواقعها بدوائر مليئة بألوان مختلفة، كما هو موضح في الشكل 4D.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig05.jpg"> الشكل 5: المعلومات المادية. (أ)مثال على تنفيذ خريطة المتجه التي تبين الاستقطاب الذي تم الحصول عليه من نمط إزاحة Ca المركزي. يتم تلوين الأسهم استنادا إلى الاتجاه (الأحمر إلى اليمين والأزرق إلى اليسار). يشار إلى جدران المجال الرأسي 90 درجة الرأس إلى الرأس والرأس إلى الذيل مع الأسهم الزرقاء ويشار إلى جدار نطاق أفقي 180 درجة مع سهم أحمر. (ب)مثال على تنفيذ الخريطة ذات الألوان الزائفة التي تبين الاستقطاب. يشير اللون إلى الحجم في الاتجاهين الأيسر (الأصفر) والأييم (الأرجواني). انخفاض حجم النتائج في اللون تلاشى. (ج) مثال على تنفيذ الخريطة ذات الألوان الزائفة التي تظهر εxx في الصورة. يشير اللون إلى قيمة الشد (الأحمر) والضغط (الأزرق). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig05large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
بعد تحديد المواقع وفهرسة الذرات في صور STEM ، يمكن استخراج المعلومات المادية وتصورها عبر أنواع مختلفة من المؤامرات ، كما هو موضح في الشكل 5. تظهر خريطة المتجه التي تظهر اتجاه الاستقطاب في الشكل 5a. تشير الأسهم نحو اتجاه الاستقطاب المتوقع ، ومن خلال تلوين الأسهم استنادا إلى اتجاهها ، يتم عرض جدار نطاق رأسي من الرأس إلى الرأس 90 درجة (المسمى بالأسهم الزرقاء) ، وجدار نطاق أفقي 180 درجة (المسمى بأسهم حمراء) في أعلى الصورة. من خلال بناء الخريطة ذات الألوان الزائفة كما هو موضح في الشكل 5b، يمكن ملاحظة انخفاض حجم الإزاحة القطبية عبر اللون الباهت في الوسط ، وبالتالي يمكن تصور جدار المجال من الرأس إلى الذيل. من خلال الجمع بين خريطة المتجه وخريطة الألوان الزائفة ، يتم عرض تقاطع T الذي تم تشكيله من قبل ثلاثة جدران نطاق في صورة ADF-STEM. بالإضافة إلى ذلك، مع قياس بعد كل خلية وحدة في الصورة، يمكن إنشاء خريطة سلالة εxx، كما هو موضح في الشكل 5c.

Watch this Scientific Journal Video about Picometer-Precision Atomic Position Tracking through Electron Microscopy at JoVE.com

Picometer-Precision Atomic Position Tracking through Electron Microscopy

يقدم هذا العمل سير عمل لتتبع الموضع الذري في التصوير المجهري للإلكترون الإرسالي بدقة ذرية. يتم تنفيذ سير العمل هذا باستخدام تطبيق Matlab مفتوح المصدر (EASY-STEM).

بيكوميتر الدقة تتبع الموقف الذري من خلال المجهر الإلكتروني

The modern aberration-corrected scanning transmission electron microscopes (AC-STEM) have successfully achieved direct visualization of atomic columns ...

وقد سمح لنا تصحيح الانحراف بدفع الدقة في المجاهر الإلكترونية المتقدمة إلى مستوى تحت الأنغستروم ، وهذا سمح لنا بحل الذرات الفردية في الكريستال. مع هذا التقدم ونحن لا تزال تفتقر إلى البرمجيات أو أساليب تحليل البيانات المتقدمة التي أعرف أنها تشكل حاجزا كبيرا لكثير من العلماء. هنا نحن نقدم الذاتي المتقدمة، وتطبيق MATLAB الحرة التي تسمى EasySTEM الذي يسمح لنا لأداء القياس الكامل للصور الملطخة القرار الذري.انها واجهة مستخدم رسومية البرمجيات التي يمكن استخدامها من خلال نقرات الماوس بسيطة، وليس هناك حاجة لكتابة رموز متقدمة مخصصة. هنا في هذا البرنامج التعليمي، ونحن نقدم أولا نصائح لdenoising اقتناء آخر وتصحيح الانجراف ومن ثم نعرض كيفية تحديد بدقة مواقف العمود الذرة، وتكميم سلالة شعرية، والتشويه في الكريستال، فضلا عن العيوب والواجهات. ثم نعرض كيفية فصل أعمدة الذرة المتداخلة التي هي صعبة في العديد من صور STEM ، وكذلك كيفية فصل أنواع مختلفة من الذرات باستخدام خوارزميات خلط الوحدة 7 التي قمنا بتطويرها وتضمينها في البرنامج.هنا هو مخطط التدفق الذي يبين الإجراء العام للقياس الكمي للموضع الذري. يبدأ البروتوكول ببعض النصائح للحصول على بيانات صورة جيدة. أولا ضمان جودة عينة TEM عالية.حاول استخدام عينات TEM الملطخة والنظيفة وغير التالفة للتصوير. تجنب تلويث العينة عن طريق الخطأ عن طريق اللمس أثناء معالجة العينة وتحميلها. ثانيا، تنظيف العينة قبل الإدراج.تنظيف العينة باستخدام منظف البلازما، الخبز فراغ، أو تطبيق دش شعاع. تجنب المناطق المتضررة أو الملوثة حيث التصوير. ثالثا، قم بمحاذاة المجهر وضبط مصححات الانحراف لتقليل معاملات الانحراف قدر الإمكان.مهمة القرار عن طريق الحصول على عدد قليل من الصور STEM على عينة قياسية لتأكيد القرار المكاني يكفي. أربعة، أثناء التصوير، إمالة العينة حتى يتم محاذاة المحور البصري مع محور منطقة محددة من الكريستال. خامسا، تحسين جرعة الإلكترون مع تقليل تلف شعاع الإلكترون والحد من انجراف العينة أثناء التصوير.الهدف هنا هو أن يكون أعلى إشارة إلى نسبة الضوضاء دون التسبب في تلف شعاع أو خلق التحف التصوير. وأخيرا، احصل على صور STEM مع اتجاهات مسح مختلفة. عادة ما تحصل أولا على صورة مسح ضوئي واحدة، ثم تأخذ الصورة الثانية من نفس المنطقة مباشرة بعد تدوير اتجاه المسح الضوئي بمقدار 90 درجة.يجب التقاط الصور باستخدام نفس حالة التصوير، باستثناء اتجاهات المسح الضوئي. الغرض من هذه الخطوة هو تغذية الصور الدوارة إلى خوارزمية تصحيح الانجراف. بعد ذلك قم بإجراء تصحيح الانجراف باستخدام خوارزمية تصحيح غير خطية عن طريق تغذية صورتين أو أكثر باتجاهات مسح مختلفة في خوارزمية التصحيح.ستقوم الخوارزمية بإخراج صور STEM المصححة الانجراف. يمكن العثور على رمز MATLAB مفتوح المصدر والوصف التفصيلي للعملية في الورقة الأصلية ، التي كتبها كولن أوفوس. هنا نقدم تطبيق MATLAB تفاعلي مجاني ، يسمى Easy-STEM ، مع واجهة مستخدم رسومية للمساعدة في التحليل.تظهر الواجهة في الشكل مع جميع الخطوات المسماة على الأزرار المقابلة. قبل التحليل، قم أولا بتحميل صورة STEM التي تم تصحيحها عن طريق النقر فوق زر ملف صورة التحميل في الزاوية اليسرى العليا. ثم أدخل قيمة المعايرة يدويا في وحدة قياس البيكمتر لكل بكسل.الخطوة التالية هي تطبيق تقنيات مختلفة لتكتك صورة. يمكن العثور على الوظائف ذات الصلة في الزاوية اليسرى السفلى من الواجهة. التقنية الأولى هي التصفية الغاوسية.هناك شريط تمرير لتحديد عدد كثافة البكسل القريبة إلى المتوسط. حرك شريط التمرير وسيتم تطبيق مرشح Gaussian على الصورة. والثاني هو تصفية فورييه.ابحث عن علامة تبويب تسمى FFT في أسفل اليسار. هناك شريط تمرير لتقييد التردد المكاني لتقليل الضوضاء عالية التردد. حرك شريط التمرير وسيتم تطبيق عامل تصفية فورييه على الصورة.والثالث هو ريتشاردسون ولوسي deconvolution. العثور على علامة تبويب تسمى deconvolution في الزاوية اليسرى السفلى، حيث هناك اثنين من مربعات الإدخال لتكرار deconvolution أعمى وريتشاردسون لوسي deconvolution، على التوالي. تغيير القيمة وتطبيق خوارزمية deconvolution بالنقر فوق الزر.الخطوة الثانية: العثور على موضع الذرة والتكرير. يمكن العثور على الوظائف ذات الصلة على اللوحة الجانبية اليمنى. أولا، اعثر على مواقع الذرة الأولية.حدد الحد الأدنى للمسافة بالبكسل عن طريق تغيير القيمة في مربع الإدخال الذي يحدد المسافة بين أقرب قمة. ثم انقر فوق زر البحث عن الموضع الأولي ، في تطبيق Easy-STEM يرجى ملاحظة ، لا محالة تقريبا ، أن هناك مواقف إضافية أو مواقف مفقودة باستخدام هذه الخوارزمية البسيطة. لذلك يتم إنشاء وضع تصحيح يدوي في تطبيق Easy-STEM لتصحيح مواقع الذرة الأولية.فإنه يسمح لك لاستخدام إدخال مؤشر الماوس لإضافة أو إزالة المواقف الأولية التالي فهرسة مواضع الذرة الأولية مع وحدة متجه الخلية نظام قائم. أولا، حدد نقطة أصل في الصورة. في تطبيق Easy-STEM، انقر على زر البحث عن المنشأ بعد النقر على الزر، اسحب المؤشر إلى أحد مواقع الذرة الأولية لتعريفه بأنه الأصل.ثانيا، حدد الخلية 2D وحدة لك و v ناقلات وكسور خلية وحدة. يرجى ملاحظة أن كسر الشبكة، أنت و v، يحدد قيمة كسر الشبكة على طول متجه الخلية الوحدة. على سبيل المثال، في خلية وحدة perovskite ABO3، يمكن تقسيم الخلية وحدة بالتساوي إلى نصفين على طول اتجاهي متجه الخلية وحدة عمودي.وبالتالي، هناك كسران على طول كل اتجاه متجه لخلية الوحدة. إذا قيم كسر الخلية هي 2 و 2، بالنسبة لك وللاتجاه الخامس، على التوالي. انقر فوق الزر بحث u و v واسحب المؤشر إلى نهاية خلايا الوحدة.تعريف قيمة كسر شعرية عن طريق تغيير القيمة في شعرية frac لك و lat frac v مربعات الإدخال. ثم انقر على زر شعرية حساب فهرسة جميع الذرات بعد الحصول على مواقف الذرة الأولية وفهرسة الذرات في الصورة. يجب إجراء تركيب غاوسي ثلاثي الأبعاد حول كل عمود ذري لتحقيق دقة مستوى البكسل الفرعي في التحليل.انقر على المواضع المكررة في تطبيق EasySTEM لتحسين مواقع الذرة مع تركيب غاوسي 2D. سيتم رسم مركز القمم المجهزة بعد التركيب. هنا هو خطوة اختيارية: صقل المواقف الذرية باستخدام خوارزمية MPFit.عندما تتراكب الكثافات من الأعمدة الذرية المجاورة مع بعضها البعض، انقر فوق الزر تراكب MPFit في EasySTEM لتحسين الموضع الذري باستخدام خوارزمية تركيب متعددة الذروة 2D Gaussian. وأخيرا حفظ النتائج عن طريق النقر فوق حفظ زر بقعة موقف الذرة. سيطلب التطبيق من المستخدم حفظ الموقع واسم الملف.يتم تضمين كافة النتائج المحفوظة في المتغير يسمى atom_pos في مساحة عمل MATLAB. داخل المتغير atom_pos هناك حقل يسمى posRefineM. وترد المناصب المكررة في العمودين الثالث والرابع، وترد الفهرسة في العمودين الثامن والتاسع.ويبين الشكل الثالث مثال نتائج تتبع موضع الذرة. تظهر صورة جذعية خام ل ADF لخلية وحدة من APO3 perovskite في الشكل 3A ويتم رسم ملفها الشخصي للكثافة في 3D ، في الشكل 3B. يظهر الشكل 3C النتائج بعد تطبيق التصفية الغاوسية على صورة STEM في الشكل 3A، ويتم رسم ملف تعريف الكثافة في الشكل 3D.يشار إلى مواقع الذرة الأولية من خلال الدوائر الصفراء في الشكل 3E. يتم فهرسة المواقع الذرية على أساس ناقلات خلايا الوحدة موضحة في الشكل 3F. في الشكل 3G و 3H ، يشار إلى المواقف المكررة 2D Gaussian كدوائر حمراء.وأخيرا، يتم عرض ميزة تطبيق خوارزمية MPFit على كثافة متداخلة في الشكل 3I. الخطوة الثالثة: استخراج المعلومات المادية. لإثبات استخراج المعلومات المادية، تظهر صورة التطبيق STEM من الكالسيوم-3 روثينيوم-2 أكسيد-7 الكالسيوم روثينات الكريستال في الشكل 4A و 4B.بعد الخطوة الأولى والخطوة الثانية، يتم تحديد موضع الذرة المكررة وإظهارها في الشكل 4C. وعلاوة على ذلك، باستخدام نظام الفهرسة، يمكن تحديد كل نوع من الذرة واستخدامها لمزيد من المعالجة. على سبيل المثال، يمكن التعرف بسهولة على ذرات الكالسيوم في الوسط العلوي والجانب السفلي من طبقة بيروفسكيت ويتم عرض موضعها مع دوائر مليئة بألوان مختلفة كما هو موضح في الشكل 4D.هنا هو مظاهرة حول كيفية قياس التشريد الذري على أساس مؤشر الخلية وحدة. يتم استخدام بيانات صورة STEM من بلورة الكالسيوم روثينات هنا، كمثال. يمكن تصور الإزاحة القطبية في هذه البلورة في صور ADF STEM من خلال تحليل إزاحة ذرات الكالسيوم في وسط طبقة perovskite المزدوجة.أولا تعريف مركز خلية وحدة. هنا، يتم تعريف الموضع المرجعي لقياس إزاحة الكالسيوم المركزية على أنه متوسط موضع ذرات الكالسيوم العليا والسفلية. يرجى ملاحظة أن كسر شعرية رقم 4 الكريستال روثينات الكالسيوم في هذه الصورة هو 10 في الاتجاه الرأسي واثنين في الاتجاه الأفقي، كما هو مبين هنا.باستخدام نظام الفهرسة المذكور أعلاه، يتم فهرسة جميع الذرات في كل وحدة الخلايا. يتم تسمية نوعين من ذرات الكالسيوم في الطبقة الأولى مع 0 و 0.4. وتلك الموجودة في الطبقة الثانية وصفت مع 0.5 و 0.9.ثانيا، العثور على موقف الذرة المشردة. وصفت ذرة العد المشردين هنا مع 0.2 و 0.7 الثالث، تجد تكراريا مواقف مراكز الخلية وحدة مرجعية والذرات المشردة لجميع خلايا وحدة كاملة في الصورة. وأخيرا، احسب متجه الإزاحة، استنادا إلى المواضع المقاسة.ويرد في المواد التكميلية رمز MATLAB ذات الصلة التي تشمل تكراريا، وإيجاد مواقف ذرات معينة وقياس التشريد. بعد ذلك، تحديد سلالة شعرية. في تطبيق EasySTEM، انقر على الضغط على حساب الضغط استنادا إلى زر المواضع الذرية تحت علامة التبويب quantify على أعلى يسار الواجهة.تتضمن عملية الحساب المفصلة خطوات متعددة ويتم تفصيلها في البرنامج النصي اليدوي. هناك العديد من الطرق الشائعة لتصور البيانات، بما في ذلك خرائط الخط، وخرائط المتجهات، والخرائط الملونة، لعرض المسافة الذرية، والإزاحة الذرية، والإجهاد، وهلم جرا. يتم تضمين التنفيذ التفصيلي في نص المخطوطة وهنا بعض النتائج التمثيلية للمثال السابق على بلورة الكالسيوم الروثينات.الشكل 5 ألف مثال على تنفيذ خرائط المتجهات التي تبين الإزاحة القطبية. يتم تلوين الأسهم استنادا إلى الاتجاه. يشار إلى جدران المجال العمودية 90 درجة مع الأسهم الزرقاء ويشار إلى جدار نطاق أفقي 180 درجة مع سهم أحمر.الشكل 5B مثال على تطبيق الخرائط الملونة التي تظهر الاستقطابات. تشير الألوان إلى الحجم في الاتجاهين الأيسر والأييم. تقليل نتائج حجم في لون باهت الشكل 5C هو مثال على تنفيذ خرائط اللون تظهر سلالة في الاتجاه الأفقي.اللون الأحمر والأزرق تشير إلى قيمة سلالة الشد وسلالة ضغط، على التوالي. ولإثبات دقة القياس، يبين الشكل 6 ألف التحديد الكمي الإحصائي للمسافة المقيسة بين مواقع perovskite A، المقدمة على شكل مخطط بياني. يتم رسم تركيب التوزيع العادي وتراكبه كأحمر متقطع الخط الذي يظهر متوسط 300.5 بيكومتر ، والانحراف المعياري لمقاييس 4.8.ويبين الشكل 6B التحديد الكمي الإحصائي لقياس زاوية متجهات الخلايا perovskite، المقدمة على شكل مخطط بياني. يتم رسم تركيب التوزيع العادي ويظهر متوسط 90.0 درجة والانحراف المعياري 1.3 درجة. ويبين الشكل 6C التحديد الكمي الإحصائي لقياس الإزاحة القطبية في بلورة الروثينات الكالسيومية، المقدمة على شكل رسم بياني.يتم رسم تركيب التوزيع العادي ويظهر متوسط 25.6 بيكومتر وانحراف معياري قدره 7.7 بيكوميتر. بعد التحليل، تأكد من التحقق مرة أخرى من البيانات الأولية للتأكد من عدم وجود أية قطع أثرية تم إنشاؤها بواسطة معالجة البيانات. وأعتقد أن هذا الإجراء ، المقترح هنا ، سيكون له مجموعة واسعة من التطبيقات ، ورؤية معالجة صورة المجهر الإلكتروني ، وسوف يساعد الباحثين على تصنيف وتحديد علاقات الملكية الهيكلية.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

تحسين الجودة متغاير في النحاس<sub&gt; 2</sub&gt; خلايا شمسية يا المستندة من خلال تعظيم الاستفادة من الضغط الجوي طبقة المكانية الذرية المودعة<br /&gt; الزنك<sub&gt; 1-س</sub&gt; المغنيسيوم<sub&gt; س</sub&gt; O

Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition (AP-SALD) was used to deposit n-type ZnO and Zn1-xMgxO thin films onto p-type thermally oxidized Cu2O ...

1,3,5-Triphenylbenzene and Corannulene as Electron Receptors for Lithium Solvated Electron Solutions

1،3،5-Triphenylbenzene وCorannulene كما الكترون المستقبلات ليثيوم الإذابة بالإكترونات الكترون حلول

The authors report on conductivity studies carried out on lithium solvated electron solutions (LiSES) prepared using two types of polyaromatic ...

Characterizing Electron Transport through Living Biofilms

وصف الإلكترون النقل عبر الأغشية الحيوية الحية

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under ...

Liquid-cell Transmission Electron Microscopy for Tracking Self-assembly of Nanoparticles

خلايا السائل مجهر إلكتروني لتعقب التجميع الذاتي من جسيمات نانوية

Drying a nanoparticle dispersion is a versatile way to create self-assembled structures of nanoparticles, but the mechanism of this process is not fully ...

Obtaining 3D Chemical Maps by Energy Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography

الحصول على خرائط الكيميائية 3D بالطاقة التي تمت تصفيتها انتقال الميكروسكوب الإلكتروني التصوير المقطعي

Energy filtered transmission electron microscopy tomography (EFTEM tomography) can provide three-dimensional (3D) chemical maps of materials at a ...

Analysis of Minerals Produced by hFOB 1.19 and Saos-2 Cells Using Transmission Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Microanalysis

تحليل المعادن التي تنتجها هفوب 1.19 وسوس-2 الخلايا باستخدام مجهر إلكتروني مع Microanalysis الأشعة السينية المشتتة الطاقة

This video presents the use of transmission electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis (TEM-EDX) to compare the state of minerals in ...

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

استخدام الجرافين سائل الخلية مجهر إلكتروني لدراسة في الموقع النقش نانوكريستال

Graphene liquid cell electron microscopy provides the ability to observe nanoscale chemical transformations and dynamics as the reactions are occurring in ...

Molten-Salt Synthesis of Complex Metal Oxide Nanoparticles

الملح المنصهر توليف أكسيد المعدن معقدة جسيمات نانوية

The development of feasible synthesis methods is critical for the successful exploration of novel properties and potential applications of nanomaterials. ...

Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for In Situ Transmission Electron Microscopy

Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for In Situ Transmission Electron Microscopy

إعداد الخلايا السائلة ميكروويل المدعومة بالجرافين للتصوير المجهري الإلكتروني للإرسال في الموقع

The fabrication and preparation of graphene-supported microwell liquid cells (GSMLCs) for in situ electron microscopy is presented in a stepwise protocol. ...

Atomic Force Microscopy Combined with Infrared Spectroscopy as a Tool to Probe Single Bacterium Chemistry

مجهر القوة الذرية جنبا إلى جنب مع التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء كأداة للتحقيق في كيمياء البكتيريا الواحدة

Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopy (AFM-IR) is a novel combinatory technique, enabling simultaneous characterization of physical properties and ...