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。
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。
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。
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。
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。请单击此处查看此图的较大版本。
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。
The authors have nothing to disclose.
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。
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