Name: picometer-precision atomic position tracking through electron microscopy
Uploaded: 2021-07-03T14:00:00
Duration: 15 min 4 s
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L.M和N.A.的工作由宾夕法尼亚州纳米规模科学中心支持，该中心是NSF MRSEC，资助编号为DMR-2011839（2020-2026）。D.M得到了ORNL实验室定向研发计划的支持，该计划由美国能源部（DOE）的UT-巴特勒有限责任公司管理。A.C和N.A.承认空军科学研究办公室（AFOSR）项目FA9550-18-1-0277以及游戏MURI，10059059-PENN的支持。

注： 图1 中的流程图显示了原子位置定量的一般过程。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig01.jpg"> 图1：原子位置定量和结构测量的工作流程。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig01large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本。</a>
1. STEM 图像漂移校正和去名化
<ol><li>获取高质量的环状暗场 （ADF） /环状亮场 （ABF） STEM 图像。 注：输入数据的质量是确保数据分析准确性的关键，因此我们从获取良好图像数据的一些提示开始协议。<ol>
<li>确保高品质的 TEM 样品。样品质量极为关键。使用薄而干净的 TEM 样品，无需光束损伤进行成像。避免在处理和装载过程中接触样品，因为这可能导致样品污染。</li>
		<li>在插入前（如果可能）清洁样品。使用等离子清洁剂、在真空中烘烤或在样品插入显微镜（"光束淋浴"）后将电子束扩散到低倍率下，对样品进行清洁。成像时避免损坏或污染区域。</li>
		<li>对齐显微镜并调整偏差校正器，尽可能减少镜头偏差。通过在标准样本上获取一些 STEM 图像来测试分辨率，以确认空间分辨率可以解决特定的晶体结构，并进一步微调图像中的异常。</li>
		<li>倾斜样品，直到光学轴与晶体的特定区域轴对齐。对于某些晶体，从所需的区域轴进行观测。例如，将观景轴与铁电晶体中域壁平面对齐以进行测量。</li>
		<li>优化电子剂量，同时限制电子束损伤和成像过程中样品漂移。如果样品在电子束下保持稳定，在采集过程中未显示漂移或损坏，则可以尝试更高的电子剂量或获取同一区域的多个图像，以提高信号与噪声比率。这里的目标是有一个更高的信号噪声比，没有光束损坏或图像文物。</li>
		<li>获取具有不同扫描方向的 STEM 图像，以纠正收购过程中的潜在漂移。首先，获取图像，然后在将扫描方向旋转 90°后立即从同一区域获取第二张图像。<ol>
<li>使用相同的成像条件拍摄图像，扫描方向除外。此步骤的目的是将旋转图像输入到最近开发的漂移校正算法17中。 注意：还可以在算法中输入两个以上的图像，扫描方向（任意角度）变化更大。但是，对同一区域的连续扫描可能导致该区域的格子损坏或漂移。此外，建议扫描方向和低指数晶格平面之间不要保持平行或垂直方向，而是保持倾斜角度。如果扫描方向与某些水平或垂直特征（晶格平面、界面等）重合，则沿强垂直/横向变化特征方向漂移可能会在图像注册过程中导致人工制品。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>用非线性校正算法执行漂移校正。 注：非线性漂移校正算法由C.Ophus等人17提出和构建，开源的Matlab代码可以在纸上找到。两个或两个以上具有不同扫描方向的图像被输入校正算法，算法将输出漂移校正的 STEM 图像。下载的代码包包括一个详细而简单的实施程序。在原始文件中可以找到更详细的算法和过程描述。</li>
	<li>应用各种图像去名技术。 注意：漂移校正后，执行图像去名，以提高未来分析的准确性。此处列出了一些常见的去名技术。此外，我们引入了一个名为 EASY-STEM 的免费交互式马特拉布应用程序，该应用程序具有图形用户界面，以帮助分析。界面显示在 图 2中，所有步骤都标记在相应的按钮上。</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig2v2.jpg"> 图2：马特拉布应用程序易茎的图形用户界面 （GUI）。 协议部分中描述的所有步骤都相应地标记。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig2v2large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
<ol><li>应用高斯过滤。在 EASY-STEM 应用程序中，在左下角找到一个名为 高斯安 的选项卡。使用滑块选择附近平均像素的数。移动滑块，将高斯过滤器应用到图像中。</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig03.jpg"> 图3：原子位置跟踪的示例结果。（i） mp-fit 算法位置改进的示例。常规的2D-高斯安装和mpfit算法的结果分别显示为红色和绿色圆圈。黄色箭头突出了常规2D-高斯安装的失败，由于来自邻近原子的强度。（a） 漂移校正的 ADF-STEM 图像显示了 ABO3佩罗夫斯基特的典型单元单元单元。（b） 强度的 3D 图（a）。（c） 与高斯过滤器相同的图像去诺化。（d） 强度的 3D 图（c）。（e） 与初始原子位置（黄圆）叠叠的强度的轮廓图。（f） 单位单元向量索引系统的示例，显示图像中原子位置的索引。（g） 与初始原子位置（黄圆）和精炼原子位置（红圆）覆盖的强度的轮廓图，以及（h）强度的 3D 图，初始和精炼原子位置显示为黄色和红色圆。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig03large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
注意：此技术使用平均图像中附近像素强度的滤镜。高斯过滤的效果呈现在图3a-d中。
<ol start="2"><li>应用傅立更过滤。在 EASY-STEM 应用中，在左下角找到一个名为 FFT 的选项卡。有一个滑块来限制空间频率，以减少高频噪声。移动滑块，将傅立银滤镜应用到图像中。 注意：此技术限制图像的空间频率以消除图像中的高频噪声。</li>
	<li>应用理查森-露西权力下放。在 EASY-STEM 应用程序中，在左下角找到一个名为 "去进化 "的选项卡，其中分别有两个用于盲下放和理查森-露西权力下放迭代的输入框。通过单击按钮更改值并应用此去名算法。 注意：此技术是一种去功能化算法，通过计算点传播功能来有效消除图像中的噪声。</li>
</ol>2. 发现和改进原子位置
<ol><li>查找初始原子位置。 注：在采集后图像处理后，初始原子位置可以分别作为 ADF 或 ABF STEM 图像的局部强度最大或最小提取。需要定义相邻原子柱之间的最小距离，以删除额外的位置。<ol>
<li>通过更改决定相邻山峰之间距离的输入框中的价值来定义最小距离（像素）。</li>
		<li>单击 EASY-STEM 应用中的 "查找初始位置 "按钮。结果显示在 图3e中。 注意：通常，使用简单的本地最大/分钟查找算法观察到额外的位置或缺失位置。因此，在 EASY-STEM 应用中创建手动校正模式，以进一步优化原子位置（添加缺失/删除额外点 按钮）。此功能使用鼠标光标能够添加和删除初始位置。</li>
	</ol></li>
	<li>使用基于单元单元的矢量系统对初始原子位置进行索引。<ol>
<li>定义图像中的原点。在 EASY-STEM 应用中，单击 "查找原点" 按钮。单击按钮后，将指头拖动到初始原子位置之一，将其定义为原点。</li>
		<li>定义您和v向量的2D单元单元单元以及单元单元分数。<ol>
<li>单击 "查找 U/V" 按钮，并将指点拖动到单元单元单元的末端。</li>
			<li>通过更改拉特弗拉克 U 和拉特弗拉克 V输入框中的价值来定义格子分数值。 注：此值决定单元单元矢量的格子分数值。例如，在 ABO3 渗透单元单元中，单元单元单元可以沿两个垂直单元单元向量方向平均分成两半。因此，每个单元单元的向量方向有两个分数，因此单位单元分数值分别为 2 和 2，用于您和 v 方向。索引的示例结果以及相应的您和 v 单位细胞向量在 图 3f中演示。例如，在 图 3f中，我们将角上的原子索引为 （0， 0）、（1， 0）、（0、 1）、（1、 1）：我们将将原子在中心索引为（1/2，1/2）。此索引系统有助于在以下步骤中提取信息。</li>
			<li>单击 计算莱迪思 按钮，以索引所有原子。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>单击 EASY-STEM 应用中的 精炼位置 按钮，以细化具有 2D-高斯配件的原子位置。 注：在获得初始原子位置并索引图像中的原子后，需要应用围绕每个原子列的 2D 高斯拟合，以便在分析中实现亚像素水平精度。通过此算法，可以先在图像中每个初始原子位置周围裁剪图像中的一个区域，然后在裁剪的图像中安装 2D-高斯峰值。然后，我们使用安装的2D-高斯峰的中心作为精炼的原子位置。该算法将 2D-高斯功能与图像中的每个原子柱相配合，安装峰值的中心将在安装后绘制。2D-高斯配件的结果显示在图3g，h。</li>
	<li>（可选）单击 EASY-STEM 中的 mpfit 重叠 按钮，以改进具有 2D-高斯多峰值拟合（mp-fit）的原子位置。 注意：当相邻原子柱的特性相互重叠时，使用mp-fit算法改进原子位置。MP-fit算法及其有效性由D.慕克吉等人详细讨论。EASY-STEM 应用程序已纳入此算法，可用于分离具有重叠的特性的相邻原子。mp-fit 的结果显示在图 3i中。</li>
	<li>单击 "保存原子"位置 按钮来保存结果。 注：该应用程序将提示用户的位置保存和文件名称。所有保存的结果都包含在称为"atom_pos"的变量中。</li>
</ol>3. 物理信息提取
<ol><li>根据单位细胞向量索引和原子位置测量原子位移。<ol>
<li>定义单元单元中心。 注：例如，对于从[100]轴看的ABO3 perovskite单元单元单元单元，可以定义为四个A位原子的平均位置。在第一个单元单元单元中，这些A位点原子以前被索引为（0，0）、（1，0）、（0、1）、（1、1）。</li>
		<li>查找移位原子的位置。 注：在ABO3 佩罗夫斯基特单元单元中，移位原子为B位原子，以前标记为（1/2，1/2）。</li>
		<li>反复查找图像中所有完整单元单元单元的参考单元细胞中心的位置和位移原子。 注意：单位单元单元可能在 TEM 图像边缘附近不完整。这些单元单元单元中的原子位置被丢弃。</li>
		<li>通过输入以下命令来测量位移矢量： d=可能（B）-平均值（可能））
</li>
	</ol>
</li>
	<li>量化格子应变。<ol>
<li>根据原子位置从每个单元单元中提取单元单元载体。 注：提取矢量矩阵"C"，这是一个2x2矩阵，由x和y方向的每个单元单元单元的向量和v向量组成。</li>
		<li>定义参考矢量"C0"。 注：C0 可以定义为图像部分（建议）的平均单位细胞向量或理论计算的单位细胞矢量值。</li>
		<li>使用以下方程计算 2x2 转换矩阵"T"： <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62164/62164eq01.jpg"> 或 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/62164/62164eq02.jpg"> （1）</li>
		<li>计算失真矩阵"D"： D = T - I （2） 其中"I"是标识矩阵。</li>
		<li>将失真"D"分解为对称应变矩阵"ε"和反对称旋转矩阵"ω"： <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/62164/62164eq03.jpg"> (3) 注：应变矩阵"ε"和旋转矩阵"ω"可以通过使用方程提取： <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/62164/62164eq04.jpg">ε=（4）和 <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/62164/62164eq05.jpg"> ω=（5）。</li>
		<li>迭代计算所有单元单元单元的菌株。</li>
		<li>在 EASY-STEM 应用中，单击"基于界面左上左侧量化选项卡下的原子位置按钮计算应变"。 注意：用户可以通过更改应 变上下限 输入框内的价值来自定义应变映射的显示范围。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 数据可视化
<ol><li>创建彩色线图。 注：原子键的彩色线图是呈现附近原子之间距离的简单方法。在马特拉布，在两个点之间画一条线的命令是： 线（[x1 x2]，[y1 y2]，'颜色'，[r g b]）。 输入 [x1 x2] 和 [y1 y2] 是第一和第二位置的坐标值。距离变化可以在行图中显示不同的颜色，该颜色由 [r g b] 值定义。[r g b] 值代表红色、绿色和蓝色值，每个值从 0 到 1 不等。然后反复连接所有附近的原子与彩色线。<ol>
<li>在 EASY-STEM 应用程序中生成彩色线图。 注意：在 EASY-STEM 应用中，行图可以通过单击一个简单的按钮生成，该按钮位于界面右上角 的数量 选项卡下。<ol>
<li>调整 EASY-STEM 中 平均距离 输入框和 测量范围 输入框中值（下午）。这两个值定义了预测原子距离的平均距离和测量的距离范围。</li>
			<li>在 EASY-STEM 应用中，单击 "基于近邻"按钮计算的债券长度 。 注：行映射将自动生成。用户可以调整色图、线型和线宽，以便更好地可视化。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>创建矢量映射。 注：矢量图可以显示晶体区域的原子位移。由于位移分析是单个系统所独有的，因此我们尚未将代码集成到 EASY-STEM 应用中，而是在此，我们将根据标准 ABO3 perovskite 单元单元单元细胞引入 Matlab 命令进行此类分析。<ol>
<li>计算位移测量的参考位置。 注：在 ABO3 perovskite 示例中，我们已将角上的原子（A 站点）索引为 （0，0）、（1， 0）、（0、1）、（1、1）和中心（B 站点）中的原子索引为 （1/2，1/2）。为了计算单元单元中心的位移，我们首先计算作为角（A-site）原子的平均位置的参考位置。此计算的马特拉布命令是： ref_center=（位置A1+位置A2=位置A3] 后A4）/4
</li>
		<li>通过输入命令计算位移： [displace_x displace_y] = 位置B - ref_center
</li>
		<li>实现矢量映射： 颤抖（x，y，displace_x，displace_y） 注：输入x和y是移位原子的位置。 displace_x 和 displace_y 变量是 x 和 y 方向的位移量级。矢量图可以统一着色（例如，黄色、白色、红色...）或根据位移幅度进行阴影。</li>
	</ol>
</li>
	<li>创建假彩色地图。<ol>
<li>通过放大来生成假彩色地图，以估计图像中每个像素的测量值（位移、应变等）： 图像大小 = 大小（图像）; [xi，yi] = 网格（1：1：图像大小（1），1：1：图像大小（2）：图像大小（2）： Upsampled_Data = 网格数据 （x， y， 您的数据， xi， yi， 'v4'）; 注："网格数据"功能可放大位置（x，y）的数据，以估计整个图像中每个像素的价值。输入xi和yi是网格坐标，"v4"是双子向上采样方法。</li>
		<li>使用用户定义的颜色比例绘制向上采样的数据。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<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. 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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>

作者没有什么可透露的。

在处理收购后时，也需要谨慎行事。首先，在图像漂移校正过程中，算法假设 0° 图像具有水平快速扫描方向，因此在计算前仔细检查方向。如果扫描方向设置不正确，漂移校正算法将失败，甚至可能在输出17中引入人工制品。然后，在成像去名化过程中，某些方法可能会引入一个神器：例如，如果空间分辨率没有受到适当限制，Fourier 筛选可能会在空缺位置创建原子柱对比度或删除图像中的精细功能。因此，验证去名化图像是否与原始原始输入图像非常相似至关重要。
接下来，在根据本地最大/最小值确定初始原子位置时，尝试调整峰值之间的限制最小距离，以避免在原子柱之间创建多余的位置。这些多余的位置是由于算法错误地将图像中的本地最大值/最小识别为原子列而生成的人工制品。此外，如果图像中不同原子物种之间存在较大的对比度差异（例如，在 WS2的 ADF-STEM 图像中），可以调整阈值以查找大多数位置。在获得图像中的大部分初始原子位置后，尝试手动添加缺失的或以最大的努力删除额外的位置。此外，当图像内周期没有大的中断时，原子索引方法是最有效的。当图像中出现诸如颗粒边界或相位边界等中断时，索引可能会失败。此问题的解决方案是定义图像中感兴趣的区域（通过单击 EASY-STEM 应用中的 定义兴趣区域 按钮），然后分别对每个区域内的位置进行索引和细化。之后，您可以轻松地将同一图像中不同区域的数据集组合到一组数据中，并进行分析。
最后，在应用 2D-高斯峰值配件后，将精制位置点分散到输入图像上，以验证拟合结果，查看精制位置是否偏离原子柱。在大多数 STEM 实验中，单一高斯安装算法提供的精度足以满足：但是，如果位置因邻近原子的强度而偏离，则使用多峰值拟合（mpfit）算法将强度与相邻的原子柱21隔离开来。否则，如果位置因图像质量问题或特定原子柱的低强度而偏离，建议丢弃该位置的合适位置。
原子位置测量有几个现有和专门的算法，例如，氧八角形拾取软件22，阿托马普巨蛇包23，和StatSTEM马特拉布包24。但是，这些算法在某些方面有一些局限性。例如，氧八角形拾取器需要 STEM 图像的输入，以包含只有明确解决的原子柱，因此无法解决图像中与原子柱重叠的强化21中的问题。另一方面，虽然阿托马普可以计算"哑铃状"原子柱的位置，但这个过程不是很简单。此外，StatSTEM 是量化重叠的强化度的好算法，但其迭代模型基装配过程的计算成本为21。相比之下，我们的方法，在这项工作中引入的Matlab应用程序EASY-STEM，这是与先进的mpfit算法集成，可以解决重叠强度的问题，并比StatSTEM计算成本更低，同时提供具有竞争力的测量精度。此外，Atomap 和氧八角形拾取软件包的分析设计并专门用于分析来自 ABO3 perovskite 晶体的数据，而本作品中显示的索引系统对不同的材料系统更加灵活。通过此方法，用户可以根据包含精炼原子位置和单元单元矢量索引的输出结果，对其独特的材料系统进行完全设计和自定义数据分析。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig06.jpg"> 图6：原子位置发现统计量化。 （a） 直方图中呈现的佩罗夫斯基特A站点到A场距离的分布。正常分布配件被绘制和覆盖为红色冲线，显示平均值为300.5 pm和标准偏差为下午4.8：（（b） 穿刺单元细胞向量角度测量的统计定量以直方图形式呈现。正常分布配件被绘制和覆盖为红色虚线，显示平均值为 90.0° 和标准偏差 1.3° 。（c） Ca 3 Ru 2 O7 （CRO） 极地位移测量的统计定量以直方图的形式呈现。正常配电配件被绘制并覆盖为红色虚线，显示下午25.6点的平均值和晚上7点7分的标准偏差<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig06large.jpg" target="_blank">。请单击此处查看此图的较大版本。</a>
此处介绍的方法为实现提供了象表级别的精度和简单性。为了证明测量精度，原子位置发现统计定量在图6中提出。分别用图6a和图6b的直方图绘制了立方ABO3 perovskite A场距离分布和单位细胞向量角度分布的测量图。通过将正常分布曲线与分布相适应，A 站点距离分布显示平均值为 300.5 pm，标准偏差为下午 4.8，单元单元矢量角度分布显示平均值为 90.0° 和标准偏差 1.3° 。统计定量表明，此处建议的方法可实现象表级精度，并可大大缓解成像过程中因漂移而导致的失真。这一结果表明，当要测量的物理信息大于或等于大约晚上10点时，这种测量是值得信赖的。例如，在上述CRO晶体中，极地位移的测量结果以图6c表示。测量显示平均值为 25.6 pm，标准偏差为晚上 7.7，并且显示 CRO STEM 图像中的极地位移测量是固体。此外，在实验限制（如成像光束敏感样品时信号噪声比低）的情况下，需要更加谨慎。在这些情况下，需要根据原始图像仔细检查测量的原子位置，以确保测量的有效性。因此，与较新和先进的算法相比，此处引入的分析方法对测量精度有局限性。当子picometer级别要求精度时，我们的方法是不够的，因此，如果图像中要提取的功能低于一定阈值，则需要更高级的分析程序。例如，非刚性注册算法对硅进行了亚皮克米精度测量，并能够精确测量单Pt纳米粒子25上的键长变异。最近，使用深度学习算法从大量的 STEM 图像数据中识别 2D 过渡金属二甲基二氧化碳单层的不同类型的点缺陷。后来，对不同类型缺陷的平均图像进行了测量，该方法还证明了亚皮克米水平精度围绕这些缺陷18的失真。因此，作为未来提高分析能力的计划，我们正在开发和实施更先进的算法，如深度学习。我们还将尝试将它们集成到未来的数据分析工具更新中。

现代扫描传输电子显微镜（STEM）中球形畸变校正的发展，使显微镜仪能够探测到具有亚安斯特伦大小的电子束1、2的晶体。这使得在各种晶体中对单个原子柱进行成像，并具有可解释的重元素和轻元素3、4的原子分辨率图像。像素化直接电子探测器和数据分析算法的最新发展，使相位重建成像技术，如分型成像技术，空间分辨率进一步改善到下午30时左右，5日，6日，7时左右。此外，STEM断层扫描的最新进展甚至使单个纳米粒子8的三维原子分辨率重建得以实现。因此，电子显微镜已成为一种极其强大的工具，可以量化材料中高精度和现场特异性的结构特性。
以超高分辨率STEM图像为数据输入，对结构失真进行直接测量，从原子尺度9、10的晶体中提取物理信息。例如，WS2单层中的 Mo dopant 与单个 S 空缺之间的缺陷耦合通过测量原子位置，然后计算预计的键长11来直接可视化。此外，对晶体界面的测量，如单层WS2的凝聚颗粒边界，可以显示当地的原子排列12。对LiNbO3的铁电域壁进行的跨面分析显示，域壁是伊辛和尼尔州13的组合。另一个例子是通过计算钛原子柱位移和铅柱位置14，在SrTiO3-PbTiO3超晶格中实现的极涡结构的可视化。最后，计算机视觉算法的进步，如图像去名化与非本地原理组件分析15，理查森和露西分量16，漂移校正与非线性注册17，模式识别与深入学习，大大增强了测量的准确性，以亚皮克米精度18。其中一个例子是多个快速扫描低温 STEM 图像的对齐和图像注册，以提高信号与噪声的比例。随后，采用富利埃遮蔽技术，通过直接可视化周期晶格失真19来分析晶体中的电荷密度波。尽管全球研究人员越来越能够访问令人难以置信的反常校正 STEM 仪器，但先进的数据分析程序和方法仍然罕见，对于没有数据分析经验的人而言，这是一个巨大的障碍。
在目前的工作中，我们展示了原子分辨率 STEM 图像计量的完整路径。此过程包括首先使用反常校正显微镜获取 STEM 图像，然后执行收购后去诺化/漂移校正，以增强测量精度。然后，我们将进一步讨论现有方法，以明确解决和准确量化原子柱的位置与2D-高斯单峰安装或多峰安装程序，为稍微重叠的原子柱20，21。最后，本教程将讨论晶格结构内晶格失真/应变的定量方法，或在格子周期被破坏的缺陷/接口中量化的方法。我们还将推出一个简单的自主开发的免费MATLAB应用程序（EASY-STEM）与图形用户界面（GUI），可以帮助分析STEM图像，而无需编写专门的分析代码或软件。此处介绍的先进数据分析方法可用于各种材料中缺陷松弛、局部结构失真、局部相变和非中对称的局部定量。

<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

现代反常校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）已成功地实现了原子柱的直接可视化与亚安格斯特罗姆分辨率。随着这一重大进展，先进的图像量化和分析仍处于初期阶段。在这项工作中，我们介绍了原子分辨率扫描传输电子显微镜（STEM）图像的计量全方法。这包括 （1） 获取高质量 STEM 图像的提示;（二）为提高测量精度而进行除名和漂移校正：（三）获得初始原子位置：（四）以单位细胞向量为指标的原子：（5） 用2D-高斯单峰安装或（6）略重叠原子柱的多峰安装程序量化原子柱位置：（七）晶格结构内晶格失真/应变的量化，或者格子周期中断的缺陷/接口的定性：（8）一些常见的方法来可视化和呈现分析。
此外，还将展示一个简单的自主开发的免费 MATLAB 应用程序 （EASY-STEM），带有图形用户界面 （GUI）。GUI 可以帮助分析 STEM 图像，而无需编写专门的分析代码或软件。此处介绍的先进数据分析方法可用于各种材料中缺陷松弛、局部结构失真、局部相变和非中对称的局部定量。

图3显示原子位置跟踪的示例结果，按照协议中的步骤 1 和 2 进行跟踪。ABO3 perovskite 单元单元单元的原始 ADF-STEM 图像显示在 图 3a中，其强度轮廓在图 3b 中以 3D 绘制。 图3c 显示高斯过滤应用于 图3a中的STEM图像后的结果，强度图 3d绘制。初始位置由图像中的局部最大性确定，位置由 图 3e中的黄色圆圈表示。原子位置根据单位细胞向量进行索引，并显示在 图3f中。在找到初始位置并索引后，应用 2D-高斯配件进一步优化测量。在 图 3g 和 图 3h中，安装的位置表示为红色圆，与初始位置（黄圆）相比，精制位置更接近中心，测量精度得到提高。最后，在重叠的特性上应用mpfit算法的优势体现在BaMnSb2 晶体的ADF-STEM图像中（图3i）。常规的 2D-高斯配件（红色圆圈）在由黄色箭头突出显示的 Mn 柱上严重故障，而 mpfit 算法可以更准确地确定位置（绿色圆圈）。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig04.jpg"> 图4： CA 3 Ru2O7 （CRO） 的 HAADF-STEM 图像（a）与晶体结构示意图叠加的 Ca3Ru2O7 （CRO） 晶体的 ADF-STEM 图像放大图像。佩罗夫斯基特层中 Ca 原子的相对位移用黄色箭头突出显示。（b） 漂移校正和去名化 ADF-STEM 的 CRO 图像和（c）与覆盖精密原子位置 （红点）。（d） 使用索引系统识别佩罗夫斯基特层中的上部（红色）、中心（蓝色）和下（黄色）卡原子的示例。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig04large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
Ca 3 Ru2O7（CRO） 的 HAADF-STEM 图像以图 4a和图 4b（覆盖的晶体结构）显示。 CRO是一个鲁德尔斯登-波普尔相佩罗夫斯基特水晶与极地空间组A2凌晨1点。ADF-STEM 成像很好地显示了较重元素（Ca 和 Ru）的对比，但 O 原子没有可视化，因为较轻的原子不会将光束分散到足以通过 HAADF 探测器可见的光束。晶体结构的非中度对称性是由O八角形的倾斜引起的，通过分析双渗透层中心Ca原子的位移，可以在ADF-STEM图像中可视化。通过按照协议部分列出的步骤，此图像中的所有原子位置都可以通过查找安装的 2D-高斯峰的中心（如图 4c中所示）来定位。此外，使用索引系统，在第 3.2 步中，可以识别单元单元单元中的每种类型的原子并用于进一步处理。例如，在佩罗夫斯基特双层的上部、中心和下侧的Ca原子可以很容易地识别，它们的位置呈现在充满不同颜色的圆圈中，如图4d所示。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig05.jpg"> 图5：物理信息。 （a） 从中心 Ca 位移模式获得的极化的矢量图的实施示例。箭头根据方向（红色向右，蓝色到左侧）进行着色。垂直 90° 头对头和头到尾域墙用蓝色箭头表示，水平 180° 域墙用红色箭头表示。（b） 显示两极分化的假彩色地图实施的例子。颜色表示左（黄色）和右（紫色）方向的震级。减少的量级会导致颜色褪色。（c） 显示图像中εxx 应变的假彩色地图实施示例。颜色表示拉伸（红色）和压缩（蓝色）应变值。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig05large.jpg" target="_blank">请单击此处查看此图的较大版本。</a>
在 STEM 图像中定位和索引原子后，物理信息可以通过各种类型的绘图提取和可视化，如 图 5所示。显示极化方向的矢量图图 5a 显示。箭头指向投影的极化方向，通过根据箭头的方向着色，图像顶部显示垂直头对头 90° 域壁（标有蓝色箭头），以及水平 180° 域墙（标记为红色箭头）。通过构建 图 5b中显示的假彩色地图，可以通过中心褪色的颜色观察到极地位移幅度的降低，从而可可视化头到尾域墙。通过将矢量图和假彩色图相结合，ADF-STEM 图像中显示了由三个域墙形成的 T 形结。此外，通过测量图像中每个单元单元的尺寸，可以构建一个εxx 应变图，如 图 5c所示。

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Picometer-Precision Atomic Position Tracking through Electron Microscopy

这项工作为原子分辨率传输电子显微镜成像中的原子位置跟踪提供了工作流程。此工作流使用开源马特拉布应用程序 （EASY-STEM） 执行。

通过电子显微镜进行精确原子位置跟踪

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

反常校正使我们能够将先进电子显微镜中的分辨率推低到亚安格斯特罗姆水平，这使我们能够在晶体中解决单个原子。随着这一进展，我们仍然缺乏软件或先进的数据分析方法，我知道这是许多科学家的一大障碍。在这里，我们演示了一个自主开发的免费MATLAB应用程序，称为EasySTEM，使我们能够执行原子分辨率彩色图像的完整计量。这是一个软件图形用户界面，可以通过简单的鼠标点击使用，并没有必要编写专用的高级代码。在此教程中，我们首先介绍收购后去诺化和漂移校正的提示，然后我们展示如何准确量化原子柱位置、晶格应变的量化、晶体中的失真以及缺陷和接口。然后，我们展示如何分离出许多 STEM 图像中棘手的重叠原子列，以及如何使用我们开发并包含在软件中的单元 7 混合算法来分离不同类型的原子。这里是显示原子位置定量一般过程的流程图。协议从获取良好图像数据的一些提示开始。首先确保较高的 TEM 样品质量。尝试使用染色、清洁和未损坏的 TEM 样品进行成像。避免在样品处理和装载过程中触摸而意外地对样品进行污染物。第二，在插入前清洁样品。使用等离子清洁剂、烘烤真空吸尘器或涂抹光束淋浴来清洁样品。避免在成像时损坏或污染区域。第三，对准显微镜并调整偏差校正器，尽可能降低偏差系数。通过在标准示例上获取一些 STEM 图像来确认空间分辨率是否足够，从而完成分辨率任务。四、在成像过程中，将样品倾斜至光学轴与晶体的特定区域轴对齐。第五，优化电子剂量，同时最大限度地减少电子束损伤，限制成像过程中样品漂移。这里的目标是有一个更高的信号与噪声比，而不会造成光束损坏或创建成像文物。最后，获取具有不同扫描方向的 STEM 图像。通常先获取一张扫描图像，然后在将扫描方向旋转 90 度后立即从同一区域获取第二张扫描图像。图像应使用相同的成像条件拍摄，扫描方向除外。此步骤的目的是将旋转图像馈送至漂移校正算法。接下来，通过将两个或两个以上具有不同扫描方向的图像馈入校正算法，使用非线性校正算法执行漂移校正。该算法将输出漂移校正 STEM 图像。开源的 MATLAB 代码和流程的详细描述可以在科林·奥弗斯撰写的原始论文中找到。在这里，我们介绍一个免费的交互式MATLAB应用程序，名为易STEM，具有图形用户界面，以帮助分析。界面显示在图中，并标记在相应按钮上的所有步骤。在分析之前，首先通过单击左上角的负载图像文件按钮加载漂移校正 STEM 图像。然后，手动输入每像素的象素象表单元中的校准值。下一步是应用各种图像去名技术。相关功能可在接口左下角找到。第一个技术是高斯过滤。有一个滑块来选择附近的像素的特性到平均值的数量。移动滑块，高斯滤镜将应用于图像。第二个是傅立马过滤。在左下角找到一个名为FT的选项卡。有一个用于限制空间频率以减少高频噪声的滑块。移动滑块，将应用到图像中。第三个是理查森和露西的权力下放。在左下角找到一个名为"去进化"的选项卡，其中有两个输入框用于盲下放和理查森-露西权力下放的迭代。通过单击按钮更改值并应用去进化算法。第二步：原子位置查找和精炼。相关功能可在右侧面板上找到。首先，找到初始原子位置。通过更改输入框中定义最近两个山峰之间的距离的输入框中值来定义像素中的最低距离。然后单击"查找初始位置"按钮，在 Easy-STEM 应用中请注意，几乎不可避免地，使用此简单算法有额外的位置或缺少位置。因此，在 Easy-STEM 应用中创建手动校正模式，以校正初始原子位置。它允许您使用鼠标光标输入添加或删除初始位置下一个索引初始原子位置与单位细胞矢量为基础的系统。首先，定义图像中的原点。在 Easy-STEM 应用中，单击按钮后单击查找源按钮，将指头拖动到初始原子位置之一，将其定义为原点。其次，定义您和v矢量的2D单元单元单元以及单元单元分数。请注意，格子分数，您和 v，确定沿单位单元单元矢量的格子分数值。例如，在 ABO3 渗透单元单元中，单元单元单元可以沿两个垂直单元单元向量方向平均分成两半。因此，每个单元单元矢量方向有两个分数。因此，单位单元分数值分别为2和2，用于您和v方向。单击查找 u，v 按钮并将指头拖动到单元单元单元的末尾。通过更改格子 frac 中您和拉特 frac v 输入框中值来定义格子分数值。然后单击计算晶格按钮，在获得初始原子位置并索引图像中的原子后索引所有原子。需要围绕每个原子柱进行 2D 高斯安装，以便在分析中实现亚像素水平精度。单击 EasySTEM 应用中的精炼位置，以改进具有 2D 高斯配件的原子位置。安装的山峰的中心将在安装后绘制。下面是一个可选的步骤：使用MPFit算法优化原子位置。当相邻原子柱的电量相互重叠时，单击 EasySTEM 中的 MPFit 重叠按钮，使用 2D 高斯多峰值安装算法优化原子位置。最后通过单击"保存原子位置点"按钮来保存结果。该应用程序将提示用户的保存位置和文件名称。所有保存的结果都包含在称为atom_pos的变量中，即 MATLAB 工作区。在变量atom_pos内有一个称为posRefineM的字段。精炼仓位列在第三栏和第四栏，索引列在第八栏和第九栏。图三显示了原子位置跟踪的示例结果。APO3 佩罗夫斯基特单元细胞的原始 ADF 茎图像显示在图 3A 中，其强度轮廓以 3D 绘制，图 3B。图 3C 显示高斯滤清应用于图 3A 中的 STEM 图像后的结果，强度轮廓以图 3D 绘制。初始原子位置由图 3E 中的黄色圆表示。原子位置根据单位细胞向量索引，如图 3F 所示。在图3G和3H中，2D高斯精制位置表示为红圈。最后，在重叠的特性上应用MPFit算法的优势在图3I中展示。第三步：物理信息提取。为了演示物理信息提取，在图 4A 和 4B 中显示了钙-3 钚-2 氧化物-7 钙鲁瑟纳特晶体的应用 STEM 图像。继第一步和第二步之后，确定精炼原子位置并显示在图 4C 中。此外，通过使用索引系统，可以识别和用于进一步处理每种类型的原子。例如，在佩罗夫斯基特层的上中心和下侧的钙原子可以很容易地识别，它们的位置呈现在充满不同颜色的圆圈中，如图4D所示。以下是如何根据单位细胞指数测量原子位移的演示。此处使用来自鲁瑟纳特钙晶体的 STEM 图像数据作为示例。通过分析双渗透层中心钙原子的位移，可以可视化该晶体中的极地位移。"首先定义单元单元中心。在这里，测量中心钙位移的参考位置被定义为上钙和下钙原子的平均位置。请注意，此图像中的卢瑟纳特钙晶体的格子分数为 4，垂直方向为 10，水平方向为 2，如图所示。通过使用上述索引系统，每个单元单元单元单元中的所有原子都进行索引。第一层的两种钙原子标有0和0.4。第二层的标记为 0.5 和 0.9。第二，找到被移位原子的位置。此处的移位计数原子标有 0.2 和 0.7 第三，反复查找图像中所有完整单元单元单元的参考单元细胞中心和移位原子的位置。最后，根据测量的位置计算位移矢量。补充材料中附着相关的 MATLAB 代码，包括迭代、查找某些原子的位置和测量位移。接下来，量化格子应变。在 EasySTEM 应用中，单击基于界面左上部量化选项卡下的原子位置按钮的计算应变。详细的计算过程涉及多个步骤，并在手动脚本中详细阐述。数据可视化有几种常见方法，包括线图、矢量图和彩色地图，用于显示原子距离、原子位移、应变等。详细的实现包括在手稿文本中，这里是一些具有代表性的结果，从上一个例子，在钙鲁塞纳特晶体。图 5A 是显示极地位移的矢量图实施的示例。箭头根据方向着色。垂直的 90 度域墙用蓝色箭头表示，水平 180 度域墙用红色箭头表示。图 5B 是显示两极分化的彩色地图实施的示例。颜色表示左右方向的量级。减少幅度导致褪色的颜色图 5C 是彩色地图在水平方向显示应变的实施示例。红色和蓝色分别表示拉伸应变和压缩应变的价值。为了证明测量精度，图 6A 显示了作为直方图呈现的佩罗夫斯基特 A 站点之间测量距离的统计定量。正常分布配件被绘制和覆盖为红色冲线显示平均 300.5 象形仪，以及 4.8 象形仪的标准偏差。图6B显示了作为直方图呈现的佩罗夫斯基特单位细胞向量角度测量的统计定量。绘制了正常分布装置，显示平均值为 90.0 度，标准偏差为 1.3 度。图6C显示了作为直方图呈现的鲁塞纳特钙晶体中极地位移测量的统计定量。绘制了正常分布装置，显示了 25.6 个象形仪的平均值和 7.7 个象形仪的标准偏差。分析后，请务必仔细检查原始数据，以确保数据处理不会生成任何人工制品。我相信这个程序，在这里提出，将有广泛的应用，看到电子显微镜图像处理，它将有助于研究人员分类和确定结构属性关系。

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

在铜改善异质结质量<sub&gt; 2</sub&gt; O型的太阳能电池通过大气压力的空间原子层沉积的优化<br /&gt;锌<sub&gt; 1-X</sub&gt;镁<sub系列&gt; X</sub&gt; 0

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 ...

科研

化学

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

1,3,5-三苯和碗烯作为电子受体锂溶剂化电子解决方案

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

通过活生物膜表征电子传输

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

用于跟踪纳米粒子自组装的液体细胞透射电子显微镜

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

通过能量过滤透射电镜成像获得3D 化学图

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

透射电镜 hFOB 1.19 和 Saos-2 细胞产生的能量色散 X 射线显微分析

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

用石墨烯液细胞透射电镜研究原位纳米晶蚀刻

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

复合金属氧化物纳米粒子的熔融盐合成

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

石墨烯支持的微井液体细胞制备,用于原位透射电子显微镜

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

原子力显微镜与红外光谱相结合，作为探测单一细菌化学的工具

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