Seguimiento de posición atómica de precisión picométrica a través de microscopía electrónica

La corrección de la aberración nos ha permitido empujar la resolución en microscopios electrónicos avanzados hasta el nivel sub-angstrom, y esto nos ha permitido resolver los átomos individuales en un cristal. Con este progreso todavía carecemos de software o métodos avanzados de análisis de datos que sé que es una gran barrera para muchos científicos. Aquí presentamos una aplicación MATLAB gratuita y de desarrollo propio que se llama EasySTEM que nos permite realizar una metrología completa de imágenes teñidas de resolución atómica.

Es una interfaz gráfica de usuario de software que se puede utilizar con simples clics del ratón, y no hay necesidad de escribir códigos avanzados dedicados. Aquí en este tutorial, primero presentamos consejos para la denoización posterior a la adquisición y la corrección de deriva y luego mostramos cómo cuantificar con precisión las posiciones de la columna del átomo, la cuantificación de la deformación de la red y la distorsión en el cristal, así como los defectos y las interfaces. Luego mostramos cómo separar las columnas de átomos superpuestas que es complicado en muchas imágenes STEM, y también cómo separar diferentes tipos de átomos utilizando los algoritmos de mezcla de unidades 7 que hemos desarrollado e incluido en el software.

Aquí está el diagrama de flujo que muestra el procedimiento general de la cuantificación de la posición atómica. El protocolo comienza con algunos consejos para adquirir buenos datos de imagen. En primer lugar, asegúrese de una alta calidad de la muestra TEM.

Trate de usar muestras tem manchadas, limpias y no dañadas para la toma de imágenes. Evite contaminar accidentalmente la muestra tocándola durante la manipulación y carga de la muestra. En segundo lugar, limpie la muestra antes de la inserción.

Limpie la muestra usando un limpiador de plasma, horneando la aspiradora o aplicando la ducha de haz. Evite las áreas dañadas o contaminadas donde se toma la imagen. En tercer lugar, alinee el microscopio y afina los correctores de aberración para minimizar los coeficientes de aberración tanto como sea posible.

Tarea de la resolución mediante la adquisición de unas cuantas imágenes STEM en una muestra estándar para confirmar la resolución espacial es suficiente. Cuatro, durante la toma de imágenes, incline la muestra hasta que el eje óptico esté alineado con el eje de zona específico del cristal. Quinto, optimice la dosis de electrones mientras minimiza el daño del haz de electrones y limita la deriva de la muestra durante la toma de imágenes.

El objetivo aquí es tener una mayor relación señal/ruido sin causar daños en el haz o crear artefactos de imagen. Finalmente, adquiera imágenes STEM con diferentes direcciones de escaneo. Normalmente, primero adquiera una imagen de escaneo y luego tome la segunda de la misma región inmediatamente después de girar la dirección de escaneo 90 grados.

Las imágenes deben tomarse utilizando la misma condición de imagen, excepto por las instrucciones de escaneo. El propósito de este paso es alimentar las imágenes rotadas al algoritmo de corrección de deriva. A continuación, realice la corrección de deriva con el algoritmo de corrección no lineal introduciendo dos o más imágenes con diferentes direcciones de escaneo en el algoritmo de corrección.

El algoritmo generará las imágenes STEM corregidas por deriva. El código de código abierto de MATLAB y la descripción detallada del proceso se pueden encontrar en el artículo original, escrito por Colin Ophus. Aquí presentamos una aplicación matlab interactiva gratuita, llamada Easy-STEM, con una interfaz gráfica de usuario para ayudar con el análisis.

La interfaz se muestra en la figura con todos los pasos etiquetados en los botones correspondientes. Antes del análisis, primero cargue la imagen STEM corregida por deriva haciendo clic en el botón cargar archivo de imagen en la esquina superior izquierda. A continuación, introduzca manualmente el valor de calibración en la unidad de picometro por píxel.

El siguiente paso es aplicar varias técnicas de denoising de imagen. Las funciones relacionadas se pueden encontrar en la esquina inferior izquierda de la interfaz. La primera técnica es el filtrado gaussiano.

Hay un control deslizante para seleccionar el número de intensidades de píxeles cercanas a promediar. Mueva el control deslizante y se aplicará el filtro gaussiano en la imagen. El segundo es el filtrado de Fourier.

Busque una pestaña llamada FFT en la parte inferior izquierda. Hay un control deslizante para restringir la frecuencia espacial para reducir el ruido de alta frecuencia. Mueva el control deslizante y el filtro de Fourier se aplicará a la imagen.

La tercera es la deconvolución de Richardson y Lucy. Busque una pestaña llamada deconvolución en la esquina inferior izquierda, donde hay dos cuadros de entrada para las iteraciones de deconvolución ciega y deconvolución de Richardson-Lucy, respectivamente. cambie el valor y aplique el algoritmo de deconvolución haciendo clic en el botón.

Paso dos: búsqueda y refinamiento de la posición del átomo. Las funciones relacionadas se pueden encontrar en el panel lateral derecho. Primero, encuentre las posiciones iniciales del átomo.

Defina la distancia mínima en píxeles cambiando el valor en el cuadro de entrada que define la distancia entre los dos picos más cercanos. Luego haga clic en el botón buscar posición inicial, en la aplicación Easy-STEM Tenga en cuenta que, casi inevitablemente, hay posiciones adicionales o posiciones faltantes utilizando este simple algoritmo. Por lo tanto, se crea un modo de corrección manual en la aplicación Easy-STEM para corregir las posiciones iniciales del átomo.

Le permite utilizar la entrada del cursor del ratón para agregar o quitar posiciones iniciales Siguiente índice de las posiciones iniciales del átomo con un sistema basado en vectores de celda unitaria. En primer lugar, defina un punto de origen en la imagen. En la aplicación Easy-STEM, haga clic en el botón buscar origen después de hacer clic en el botón, arrastre el puntero a una de las posiciones iniciales del átomo para definirlo como el origen.

En segundo lugar, defina los vectores de celda unitaria 2D o s y v y las fracciones de celda unitaria. Tenga en cuenta que la fracción reticular, o y v, determina el valor de la fracción reticular a lo largo del vector de celda unitaria. Por ejemplo, en la celda de unidad de perovskita ABO3, la celda de unidad se puede dividir equitativamente en dos mitades a lo largo de las dos direcciones vectoriales de celda de unidad perpendicular.

En consecuencia, hay dos fracciones a lo largo de las direcciones de cada vector de celda unitaria. Por lo tanto, los valores de fracción de celda unitaria son 2 y 2, para las direcciones u y v, respectivamente. Haga clic en el botón buscar u, v y arrastre el puntero al final de las celdas de la unidad.

Defina el valor de la fracción de celosía cambiando el valor en los cuadros de entrada frac you y lat frac v de celosía. Luego haga clic en el botón calcular retículo para indexar todos los átomos después de obtener las posiciones iniciales del átomo e indexar los átomos en la imagen. Es necesario realizar un ajuste gaussiano 2D alrededor de cada columna atómica para lograr la precisión de nivel de subpíxeles en el análisis.

Haga clic en las posiciones refinadas en la aplicación EasySTEM para refinar las posiciones de los átomos con ajuste gaussiano 2D. El centro de los picos ajustados se trazará después de la conexión. Aquí hay un paso opcional:Refinar las posiciones atómicas utilizando el algoritmo MPFit.

Cuando las intensidades de las columnas atómicas adyacentes se superpongan entre sí, haga clic en el botón Superposiciones de MPFit en EasySTEM para refinar la posición atómica con el algoritmo de ajuste de pico múltiple gaussiano 2D. Finalmente, guarde los resultados haciendo clic en el botón guardar punto de posición del átomo. La aplicación solicitará al usuario la ubicación de guardado y el nombre de archivo.

Todos los resultados guardados se incluyen en la variable denominada atom_pos, en el espacio de trabajo MATLAB . Dentro de la variable atom_pos hay un campo llamado posRefineM. Las posiciones refinadas se enumeran en las columnas tres y cuatro y la indización se enumeran en las columnas ocho y nueve.

La figura tres muestra los resultados de ejemplo del seguimiento de la posición del átomo. En la figura 3A se muestra una imagen madre ADF en bruto de una célula unidad de la perovskita APO3 y su perfil de intensidad se traza en 3D, en la figura 3B. La Figura 3C muestra los resultados después de aplicar el filtrado gaussiano a la imagen STEM en la figura 3A, y el perfil de intensidad se traza en la figura 3D.

Las posiciones iniciales del átomo están indicadas por los círculos amarillos de la figura 3E. Las posiciones atómicas se indexan en función de los vectores de celdas unitarias que se muestran en la figura 3F. En las figuras 3G y 3H, las posiciones refinadas gaussianas 2D se indican como círculos rojos.

Por último, la ventaja de aplicar el algoritmo MPFit en las intensidades superpuestas se muestra en la figura 3I. Paso tres: extracción de información física. Para demostrar la extracción de información física, la imagen STEM de la aplicación del cristal de rutenio-2 óxido-7 de calcio rutenio se muestra en las figuras 4A y 4B.

Siguiendo el paso uno y el paso dos, las posiciones de los átomos refinados se determinan y se muestran en la figura 4C. Además, mediante el uso del sistema de indexación, cada tipo de átomo puede ser identificado y utilizado para su posterior procesamiento. Por ejemplo, los átomos de calcio en el centro superior y el lado inferior de la capa de perovskita se pueden identificar fácilmente y su posición se presenta con círculos llenos de diferentes colores como se muestra en la figura 4D.

Aquí está la demostración sobre cómo medir el desplazamiento atómico basado en el índice de celda unidad. Los datos de imagen STEM del cristal de rutenio de calcio se utilizan aquí, como ejemplo. El desplazamiento polar en este cristal se puede visualizar en imágenes ADF STEM analizando el desplazamiento de los átomos de calcio en el centro de la doble capa de perovskita.

En primer lugar, defina un centro de celda unitario. Aquí, la posición de referencia para medir el desplazamiento del calcio central se define como la posición promedio de los átomos de calcio superiores e inferiores. Observe por favor la fracción de celosía número 4 el cristal del rutenio del calcio en esta imagen es 10 en la dirección vertical y dos en la dirección horizontal, tal y como se muestra aquí.

Mediante el uso del sistema de indexación antes mencionado, se indexan todos los átomos de cada celda unitaria. Los dos tipos de átomos de calcio en la primera capa están etiquetados con 0 y 0.4. Y los de la segunda capa están etiquetados con 0.5 y 0.9.

En segundo lugar, encontrar la posición del átomo desplazado. El átomo de conteo desplazado aquí está etiquetado con 0.2 y 0.7 Tercero, encontrar iterativamente las posiciones de los centros de celda de la unidad de referencia y los átomos desplazados para todas las celdas unitarias completas en la imagen. Finalmente, calcule el vector de desplazamiento, basado en las posiciones medidas.

El código MATLAB relacionado que incluye iterativamente, encontrar las posiciones de ciertos átomos y medir el desplazamiento se adjunta en los materiales suplementarios. A continuación, cuantifique la deformación reticular. En la aplicación EasySTEM, haga clic en calcular la tensión basada en el botón de posiciones atómicas en la pestaña cuantificar en la parte superior izquierda de la interfaz.

El proceso de cálculo detallado implica varios pasos y se elabora en el script manual. Hay varios métodos comunes para la visualización de datos, incluidos los mapas de línea, los mapas vectoriales y los mapas de color, para mostrar la distancia atómica, el desplazamiento atómico, la deformación, etc. La implementación detallada se incluye en el texto del manuscrito y aquí hay algunos resultados representativos del ejemplo anterior sobre el cristal de rutenio de calcio.

La Figura 5A es un ejemplo de la implementación de los mapas vectoriales que muestran el desplazamiento polar. Las flechas se colorean en función de la orientación. Las paredes verticales de dominio de 90 grados se indican con flechas azules y una pared de dominio horizontal de 180 grados se indica con una flecha roja.

La Figura 5B es un ejemplo de la implementación de mapas de color que muestran las polarizaciones. Los colores indican la magnitud en las direcciones izquierda y derecha. Reducir la magnitud de los resultados en un color desvanecido Figura 5C es un ejemplo de implementación de los mapas de color que muestran la deformación en la dirección horizontal.

El color rojo y azul indican el valor de la tensión de tracción y la tensión compresiva, respectivamente. Para demostrar la precisión de la medición, la Figura 6A muestra la cuantificación estadística de la distancia medida entre los sitios A de perovskita, presentada como un histograma. El ajuste de distribución normal se traza y se superpone como un rojo discontinuo de la línea que muestra la media de 300,5 picometros, y la desviación estándar de 4,8 picometros.

La Figura 6B muestra la cuantificación estadística de la medición del ángulo del vector celular unitario de perovskita, presentada como histograma. El ajuste de distribución normal se traza y muestra la media de 90,0 grados y una desviación estándar de 1,3 grados. La Figura 6C muestra la cuantificación estadística de la medición del desplazamiento polar en el cristal de Ruteniato de Calcio, presentado como histograma.

El ajuste de distribución normal se traza y muestra la media de 25,6 picometros y una desviación estándar de 7,7 picometros. Después del análisis, asegúrese de verificar dos veces con sus datos sin procesar para asegurarse de que no hay artefactos generados por el procesamiento de datos. Creo que este procedimiento, propuesto aquí, tendrá una amplia gama de aplicaciones, viendo el procesamiento de imágenes de microscopía electrónica, y ayudará a los investigadores a categorizar y determinar las relaciones de propiedad estructural.