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

Работа L.M. и N.A. при поддержке Центра наноразмерных наук штата Пенсильвания, NSF MRSEC под номером гранта DMR-2011839 (2020 - 2026). D.M. был поддержан Программой лабораторных исследований и разработок ORNL (LDRD), которая управляется UT-Battelle, LLC, для Министерства энергетики США (DOE). A.C. и N.A. признают программу Управления научных исследований ВВС (AFOSR) FA9550-18-1-0277, а также GAME MURI, 10059059-PENN за поддержку.

<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>

Авторам нечего раскрывать.

При работе над обработкой после приобретения также необходимо соблюдать некоторую осторожность. Начнем с того, что во время коррекции дрейфа изображения алгоритм предполагает, что изображение 0° имеет горизонтальное быстрое направление сканирования, поэтому перед расчетом перепроверьте направление. Если направление сканирования задано неправильно, алгоритм коррекции дрейфа выйдет из строя и может даже ввести артефакты в вывод17. Затем во время шумоподавления изображения некоторые методы могут вводить артефакт; Например, фильтрация Фурье может создавать контраст столбцов атомов на сайтах вакансий или удалять мелкие признаки на изображениях, если пространственное разрешение не ограничено должным образом. В результате жизненно важно проверить, похожи ли изображения с денойном на исходные исходные исходные входные изображения.
Затем, при определении начальных атомных позиций на основе локального максимума/минимума, попробуйте скорректировать минимальное расстояние ограничения между пиками, чтобы избежать создания избыточных позиций между атомарными столбцами. Эти избыточные позиции являются артефактами, сгенерированными из-за алгоритма, ошибочно распознавлящего локальные максимумы/минимумы на изображении как атомарные столбцы. Кроме того, можно настроить пороговое значение, чтобы найти большинство позиций, если на изображении есть большие контрастные различия между различными атомными видами (например, в изображениях ADF-STEM WS2). После получения большинства исходных атомарных позиций в изображении попробуйте вручную добавить недостающие или удалить лишние с максимальной отдачей. Более того, метод индексации атомов является наиболее эффективным, когда нет больших перерывов в периодичностях внутри изображения. При наличии прерываний, таких как границы зерен или границы фаз, представленные на изображении, индексирование может завершиться ошибкой. Решение этой проблемы заключается в определении областей интереса на изображении (нажав кнопку «Определить область интереса» в приложении EASY-STEM), а затем индексации и уточнения позиций в каждой области отдельно. После этого можно легко объединить наборы данных разных областей в одном изображении в один набор данных и работать над анализом.
Наконец, после применения пиковых фитингов 2D-Гаусса, рассейте уточненные точки положения на входном изображении, чтобы проверить результаты подгонки, чтобы увидеть, отклоняются ли уточненные положения от атомных столбцов. Точность, обеспечиваемая одним алгоритмом гауссовской подгонки, достаточна в большинстве экспериментов STEM; однако, если положение отклоняется из-за интенсивности от соседнего атома, используйте алгоритм многопиковой подгонки (mpfit) вместо этого, чтобы изолировать интенсивность от соседних атомных столбцов21. В противном случае, если положение отклоняется из-за проблемы с качеством изображения или низкой интенсивности от конкретных столбцов атомов, рекомендуется отбросить установленное положение в этом месте.
Существует несколько существующих и специализированных алгоритмов для измерения атомного положения, например, программное обеспечение для выбора октаэдры кислорода22,пакет Atomap python23и пакет StatSTEM Matlab24. Однако эти алгоритмы имеют некоторые ограничения в определенных аспектах. Например, сборщик октаэдры кислорода требует, чтобы входные данные изображений STEM содержали только четко разрешенные атомные столбцы и, таким образом, не смогли решить проблему на изображениях с атомными столбцами, перекрывающими интенсивности21. С другой стороны, хотя Атомап может вычислять положения «гантелейоподобных» атомных столбцов, процесс не очень прост. Кроме того, StatSTEM является отличным алгоритмом для количественной оценки перекрывающихся интенсивностей, но его итеративный процесс подгонки на основе модели является вычислительно дорогостоящим21. В отличие от этого, наш подход, представленный в этой работе вместе с приложением Matlab EASY-STEM, которое интегрировано с передовым алгоритмом mpfit, может решить проблему перекрывающейся интенсивности и является менее вычислительно дорогим, чем StatSTEM, предлагая при этом конкурентоспособную точность измерений. Кроме того, анализ от Atomap и пакетов программного обеспечения для сборщика кислорода октаэдры разработан и специализирован для анализа данных от кристаллов перовскита ABO3, в то время как система индексации, показанная в этой работе, гораздо более гибкая в отношении различных систем материалов. С помощью метода в этой работе пользователи могут полностью спроектировать и настроить анализ данных для своих уникальных материальных систем на основе выходных результатов, которые содержат как уточненные атомные позиции, так и индексацию вектора элементарной ячейки.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig06.jpg"> Рисунок 6:Статистическая количественная оценка нахождения атомного положения. (a) Распределение перовскита A-сайта к расстоянию A-сайта A, представленное в гистограмме. Фитификация нормального распределения строится и накладывается в виде красной пунктирной линии, показывающей среднее значение 300,5 пм и стандартное отклонение 4,8 пм. (b) Статистическая количественная оценка измерения угла вектора перовскитной ячейки представлена в виде гистограммы. Фитинг нормального распределения строится и накладывается в виде красной пунктирной линии, показывающей среднее значение 90,0° и стандартное отклонение 1,3°. (c)Статистическая количественная оценка измерения полярного смещения в Ca3Ru2O7 (CRO) представлена в виде гистограммы. Нормальная подгонка распределения нанесена на график и наложена в виде красной пунктирной линии, показывающей среднее значение 25,6 вечера и стандартное отклонение 7,7 вечера. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig06large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
Метод, представленный здесь, обеспечивает точность и простоту реализации на уровне пикометра. Чтобы продемонстрировать точность измерения, статистическая количественная оценка атомного положения представлена на рисунке 6. Измерения распределения кубических ABO3 перовскитов A-site на расстоянии и распределения вектора элемента ячейки строятся с использованием гистограммы на рисунке 6a и рисунке 6bсоответственно. При подгонке кривой нормального распределения к распределениям распределение расстояние А-участка показывает среднее значение 300,5 пм и стандартное отклонение 4,8 пм, а распределение вектора вектора элемента ячейки показывает среднее значение 90,0° и стандартное отклонение 1,3°. Статистическая количественная оценка указывает на то, что предложенный здесь метод обеспечивает точность на уровне пикометра и может значительно смягчить искажения из-за дрейфа во время визуализации. Этот результат предполагает, что это измерение заслуживает доверия, когда физическая информация, которую необходимо измерить, больше или равна примерно 10 вечера. Например, в случае вышеупомянутых кристаллов CRO измерение величины полярного смещения представлено на рисунке 6c. Измерение показывает среднее значение 25,6 вечера, стандартное отклонение 7,7 вечера, и оно показывает, что измерение полярного смещения на изображениях CRO STEM является твердым. Кроме того, необходимо проявлять большую осторожность в случае экспериментальных ограничений, таких как низкое отношение сигнал/шум при визуализации чувствительных к пучку образцов. В этих случаях измеренные атомные положения должны быть тщательно изучены по сравнению с необработанными изображениями, чтобы обеспечить достоверность измерения. Следовательно, метод анализа, представленный здесь, имеет ограничения на точность измерения по сравнению с более поздними и продвинутыми алгоритмами. Наш метод недостаточен, когда требуется точность на суб-пикометровом уровне, поэтому необходима более продвинутая процедура анализа, если объект, извлекаемый на изображении, ниже определенного порога. Например, нежесткий алгоритм регистрации показал точность измерения суб-пикометра на кремнии и позволяет точно измерять изменение длины связи на одной наночастице Pt25. Совсем недавно алгоритм глубокого обучения был использован для выявления различных типов точечных дефектов в монослоях 2-D дихалькогенидов переходных металлов из огромного количества данных изображений STEM. Позже измерение проводилось на усредненном изображении различных типов дефектов, и этот метод также продемонстрировал точность суб-пикометра на уровне искажений вокруг этих дефектов18. Следовательно, в качестве будущего плана по увеличению возможностей анализа мы находимся в процессе разработки и внедрения более продвинутых алгоритмов, таких как глубокое обучение. Мы также постараемся интегрировать их в будущие обновления инструментов анализа данных.

Разработка сферической коррекции аберраций в современном сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (STEM) позволила микроскопистам исследовать кристаллы с электронными пучками размером с субангстремразмером 1,2. Это позволило визуализовать отдельные атомные колонны в широком спектре кристаллов с интерпретируемым атомным разрешением изображений как длятяжелых,так и для легких элементов3,4. Последние разработки в области пиксельных детекторов прямых электронов и алгоритмов анализа данных позволили использовать методы визуализации фазовой реконструкции, такие как птихография, с дальнейшим улучшением пространственного разрешения примерно до 30 вечера5,6,7. Кроме того, недавний прогресс в томографии STEM даже позволил реконструировать с трехмерным атомным разрешением одну наночастицы8. Таким образом, электронный микроскоп стал чрезвычайно мощным инструментом для количественной оценки структурных свойств материалов с высокой точностью и специфичностью для сайта.
С изображением STEM со сверхвысоким разрешением в качестве входных данных были выполнены прямые измерения структурных искажений для извлечения физической информации из кристаллов в атомном масштабе9,10. Например, связь дефекта между легивным веществом Mo в монослое WS2 и одной вакансией S была непосредственно визуализирована путем измерения атомных положений, а затем расчета прогнозируемых длин связи11. Кроме того, измерение на кристаллических интерфейсах, таких как слитые границы зерен в монослое WS2,может демонстрировать локальное атомное расположение12. Межфазный анализ, проведенный на сегнетоэлектрических доменных стенках в LiNbO3, показал, что доменная стенка представляет собой комбинацию состояний Изинга и Нила13. Другим примером является визуализация полярных вихревых структур, достигнутая в сверхрешетках SrTiO3-PbTiO3, достигнутая путем расчета смещений титановой атомной колонны относительно положений стронция и свинцовой колонны14. Наконец, достижения в алгоритмах компьютерного зрения, такие как шумоподавление изображения с нелокального принципа компонентного анализа15,деконволюция Ричардсона и Люси16,коррекция дрейфа с нелинейной регистрацией17и распознавание образов с глубоким обучением, значительно усилили точность измерения до субпикометрической точности18. Одним из таких примеров является выравнивание и регистрация изображений нескольких криогенных изображений STEM с быстрым сканированием для улучшения отношения сигнал/шум. Впоследствии метод маскировки Фурье был применен для анализа волн плотности заряда в кристаллах путем непосредственной визуализации периодического искажениярешетки 19. Несмотря на то, что невероятные инструменты STEM с коррекцией аберраций становятся все более доступными для исследователей по всему миру, передовые процедуры и методы анализа данных остаются необычными и огромным барьером для тех, кто не испытывает опыта анализа данных.
В настоящей работе мы демонстрируем полный путь для метрологии изображений STEM с атомным разрешением. Этот процесс включает в себя, во-первых, получение изображений STEM с помощью микроскопа с коррекцией аберрации, а затем выполнение пост-сбора шумоподавления / коррекции дрейфа для повышения точности измерения. Затем мы дополнительно обсудим существующие методы для четкого разрешения и точной количественной оценки положений колонки атомов с помощью либо 2D-гауссовской однопиковой подгонки, либо многопиковых процедур подгонки для слегка перекрывающихся атомных столбцов20,21. Наконец, в этом учебнике будут обсуждаться методы количественной оценки искажения/деформации решетки в кристаллических структурах или в дефектах/интерфейсах, где периодичность решетки нарушена. Мы также представим простое самостоятельно разработанное бесплатное приложение MATLAB (EASY-STEM) с графическим пользовательским интерфейсом (GUI), которое может помочь с анализом изображений STEM без необходимости написания специального кода анализа или программного обеспечения. Передовые методы анализа данных, представленные здесь, могут быть применены для локальной количественной оценки дефектных релаксации, локальных структурных искажений, локальных фазовых превращений и нецентросимметрии в широком спектре материалов.

<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

Современные сканирующая просвечивающие электронные микроскопы с коррекцией аберрации (AC-STEM) успешно достигли прямой визуализации атомных колонок с субангстремным разрешением. Благодаря этому значительному прогрессу расширенная количественная оценка и анализ изображений все еще находятся на ранних стадиях. В этой работе мы представляем полный путь для метрологии изображений сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) атомного разрешения. Это включает в себя (1) советы по получению высококачественных изображений STEM; 2) шумоподавление и коррекция дрейфа для повышения точности измерений; 3) получение исходных атомных позиций; (4) индексация атомов на основе векторов единичных ячеек; (5) количественное определение положения колонки атома либо с помощью 2D-гауссовского однопикового фитинга, либо (6) многопиковых процедур подгонки для слегка перекрывающихся атомных колонн; (7) количественная оценка искажения/деформации решетки в кристаллических структурах или на дефектах/границах раздела, где периодичность решетки нарушена; и 8) некоторые общие методы визуализации и представления анализа.
Кроме того, будет представлено простое самостоятельно разработанное бесплатное приложение MATLAB (EASY-STEM) с графическим интерфейсом пользователя (GUI). Графический интерфейс может помочь в анализе изображений STEM без необходимости написания специального кода анализа или программного обеспечения. Передовые методы анализа данных, представленные здесь, могут быть применены для локальной количественной оценки дефектных релаксации, локальных структурных искажений, локальных фазовых превращений и нецентросимметрии в широком спектре материалов.

На рисунке 3 показан пример результатов отслеживания атомного положения путем выполнения шагов 1 и 2 в протоколе. Необработанное изображение ADF-STEM единичной ячейки перовскита ABO3 показано на рисунке 3a,а его профиль интенсивности построен в 3-D на рисунке 3b. На рисунке 3c показан результат после применения гауссовской фильтрации к STEM-изображению на рисунке 3a,а профиль интенсивности построен на рисунке 3d. Начальные позиции определяются путем нахождения локальных максимумов на изображении, а позиции обозначены желтыми кругами на рисунке 3e. Атомные позиции индексируются на основе вектора ячейки единицы и показаны на рисунке 3f. После того, как исходное положение найдено и проиндексировано, применяется 2D-гауссовская примерка для дальнейшего уточнения измерения. На рисунках 3g и 3hподогнанные положения обозначены красными кругами, точность измерения улучшается, поскольку уточненные положения находятся ближе к центру по сравнению с исходными позициями (желтые круги). Наконец, преимущество применения алгоритма mpfit на перекрывающихся интенсивностях демонстрируется в ADF-STEM изображении кристалла BaMnSb2 (рисунок 3i). Обычная подгонка 2D-Гаусса (красные круги) сильно проваливается на столбцах Mn, выделенных желтыми стрелками, в то время как алгоритм mpfit может определять позиции гораздо точнее (зеленые круги).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig04.jpg"> Рисунок 4:HAADF-STEM изображение Ca3Ru2O7 (CRO). (a) Увеличенное изображение ADF-STEM изображения кристалла Ca 3 Ru2O7 (CRO) со схемой кристаллической структуры наложенной. Относительное смещение атома Ca в слое перовскита выделено желтой стрелкой. (b)Скорректированное дрейфом и деноизированное изображение ОЦР и(c)с наложением уточненных атомных положений (красные точки). d)Пример использования системы индексации для идентификации верхних (красный), центральных (синий) и нижних (желтый) атомов Ca в слое перовскита. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig04large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
HaADF-STEM изображение Ca3Ru2O7 (CRO) показано на рисунках 4a и 4b (с наложенной кристаллической структурой). CRO представляет собой кристалл перовскита фазы Раддлсдена-Поппера с полярной космической группой A21am. Визуализация ADF-STEM хорошо показывает контраст от более тяжелых элементов (Ca и Ru), но атомы O не визуализируются, поскольку более легкие атомы не рассеивают пучок достаточно сильно, чтобы стать видимым с помощью детекторов HAADF. Нецентроциметрия кристаллической структуры обусловлена наклоном O-октаэдров и может быть визуализирована на изображениях ADF-STEM путем анализа смещения атома Ca в центре двойного перовскитного слоя. Следуя шагам, перечисленным в разделе Протокол, все атомные позиции на этом изображении можно найти, найдя центры установленных 2D-гауссовских пиков, как показано на рисунке 4c. Кроме того, используя систему индексации, на этапе 3.2 каждый тип атома в элементаной ячейке может быть идентифицирован и использован для дальнейшей обработки. Например, атомы Ca в верхней, центральной и нижней части двойного слоя перовскита могут быть легко идентифицированы, и их положения представлены кругами, заполненными различными цветами, как показано на рисунке 4d.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig05.jpg"> Рисунок 5:Физическая информация. (a) Пример реализации векторной карты, показывающей поляризацию, полученную из паттерна смещения центра Ca. Стрелки окрашены в зависимости от ориентации (красный справа, синий слева). Вертикальные стенки домена 90° «голова к голове» и «голова к хвосту» обозначены синими стрелками, а горизонтальная стенка домена под 180° обозначена красной стрелкой. (b)Пример реализации карты ложного цвета, показывающей поляризацию. Цвет указывает величину в левом (желтом) и правом (фиолетовый) направлениях. Уменьшение величины приводит к выцветаему цвету. (c)Пример реализации карты ложного цвета, показывающей εдеформацию xx на изображении. Цвет указывает на величину растягивающей (красный) и сжимающей (синий) деформации. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig05large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
После позиционирования и индексации атомов на изображениях STEM физическая информация может быть извлечена и визуализирована с помощью различных типов графиков, как показано на рисунке 5. Векторная карта, показывающая направление поляризации, показана на рисунке 5a. Стрелки указывают в сторону проецируемого направления поляризации, и при окрашиванию стрелок в зависимости от их ориентации в верхней части изображения отображаются вертикальная стена домена 90° (помеченная синими стрелками) и горизонтальная стена домена 180° (помеченная красными стрелками). Построив карту ложного цвета, как показано на рисунке 5b,можно наблюдать уменьшение величины полярного смещения через затухающий цвет в центре, и, таким образом, можно визуализировать стенку домена голова-хвост. При объединении векторной карты и карты ложных цветов на изображении ADF-STEM отображается Т-образный переход, образованный тремя доменными стенками. Кроме того, с измерением размерности каждой элементарной ячейки на изображении может быть построена карта деформаций εxx, как показано на рисунке 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

В данной работе представлен рабочий процесс для отслеживания положения атомов в электронной микроскопии с пропускания атомного разрешения. Этот рабочий процесс выполняется с помощью приложения Matlab с открытым исходным кодом (EASY-STEM).

Пикометрическое точное отслеживание положения атомов с помощью электронной микроскопии

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

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

Улучшение качества Гетеропереход в Cu<sub&gt; 2</sub&gt; O на основе солнечных батарей за счет оптимизации атмосферного давления пространственного атомного слоя Деп<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-х</sub&gt; Mg<sub&gt; х</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-трифенилбензол и коранулен как электронный Рецепторы для лития сольватированного электрона Solutions

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

Характеризуя переноса электронов через биоплёнки жизни

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

Жидкости клеточной просвечивающей электронной микроскопии для отслеживания самостоятельной сборки наночастиц

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

Получение трехмерных карт химической энергией фильтруют передачи электронной микроскопии томография

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

Анализ минералов, производимые hFOB 1.19 и Saos-2 клетки с помощью просвечивающей электронной микроскопии с энергии энергодисперсионный рентгеновский микроанализ

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

С помощью графена жидкости клеток просвечивающей электронной микроскопии для изучения на месте Нанокристаллические травления

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

Расплавленной соли синтеза наночастиц сложных оксидов металлов

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

Подготовка графена-поддерживаемых Microwell жидких клеток для В Ситу передачи электронной микроскопии

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

Атомно-силовая микроскопия в сочетании с инфракрасной спектроскопией в качестве инструмента для исследования химии одиночных бактерий

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