通过电子显微镜进行精确原子位置跟踪

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。