מעקב אחר מיקום אטומי מדויק באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים

תיקון הסטייה איפשר לנו לדחוף את הרזולוציה במיקרוסקופי אלקטרונים מתקדמים עד לרמת תת-החרדה, וזה איפשר לנו לפתור את האטומים הבודדים בגביש. עם התקדמות זו אנו עדיין חסרים תוכנה או שיטות ניתוח נתונים מתקדמות אשר אני יודע הוא מחסום גדול עבור מדענים רבים. כאן אנו מציגים יישום MATLAB שפותח באופן עצמאי וחופשי בשם EasySTEM המאפשר לנו לבצע מטרולוגיה מלאה של תמונות מוכתמות ברזולוציה אטומית.

זהו ממשק משתמש גרפי תוכנה שיכול לשמש לחיצות עכבר פשוטות, ואין צורך לכתוב קודים מתקדמים ייעודיים. כאן במדריך זה, אנו מציגים תחילה טיפים עבור denoising רכישת פוסט תיקון להיסחף ולאחר מכן אנו מראים כיצד לכמת במדויק את עמדות עמודת האטום, כימות של זן הסריג, ועיוות בגביש, כמו גם את הפגמים והממשקים. לאחר מכן אנו מראים כיצד להפריד בין עמודות אטום חופפות המסובכות בתמונות STEM רבות, וגם כיצד להפריד סוגים שונים של אטומים באמצעות אלגוריתמי הערבוב של יחידה 7 שפיתחנו וכללנו בתוכנה.

הנה תרשים הזרימה המציג את ההליך הכללי של כימות המיקום האטומי. הפרוטוקול מתחיל בכמה עצות לרכישת נתוני תמונה טובים. תחילה להבטיח איכות דגימת TEM גבוהה.

נסה להשתמש בדגימות TEM מוכתמות, נקיות ולא ניזוקות להדמיה. הימנע בטעות זיהום המדגם על ידי נגיעה במהלך הטיפול במדגם וטעינה. שנית, נקה את הדגימה לפני הכניסה.

נקה את המדגם באמצעות מנקה פלזמה, אפיית הוואקום, או החלת מקלחת קרן. הימנע מאזורים פגומים או מזוהמים שבהם הדמיה. שלישית, ליישר את המיקרוסקופ ולכוונן את מתקנים סטייה כדי למזער את מקדמי סטייה ככל האפשר.

משימה הרזולוציה על ידי רכישת כמה תמונות STEM על מדגם סטנדרטי כדי לאשר את הרזולוציה המרחבית מספיקה. ארבע, במהלך ההדמיה, להטות את המדגם עד הציר האופטי מיושר עם ציר האזור הספציפי של הגביש. החמישית, לייעל את מינון האלקטרונים תוך למזער את הנזק קרן אלקטרונים ולהגביל את ה דגימת להיסחף במהלך ההדמיה.

המטרה כאן היא לקבל אות גבוה יותר יחס רעש מבלי לגרום נזק קרן או יצירת חפצי הדמיה. לבסוף, לרכוש תמונות STEM עם כיווני סריקה שונים. בדרך כלל תחילה לרכוש תמונת סריקה אחת, ולאחר מכן לקחת את השני מאותו אזור מיד לאחר סיבוב כיוון הסריקה על ידי 90 מעלות.

יש לצלם את התמונות באותו מצב דימות, למעט כיווני הסריקה. מטרת שלב זה היא להזין את התמונות המסובבות לאלגוריתם תיקון הסחף. בשלב הבא בצע תיקון סחף באמצעות אלגוריתם תיקון לא ליניארי על-ידי הזנת שתי תמונות או יותר בכיווני סריקה שונים לאלגוריתם התיקון.

האלגוריתם יפיק את תמונות STEM מתוקן להיסחף. קוד MATLAB בקוד פתוח ותיאור מפורט של התהליך ניתן למצוא במאמר המקורי, שחובר על ידי קולין אופוס. כאן אנו מציגים אפליקציית MATLAB אינטראקטיבית חינמית, בשם Easy-STEM, עם ממשק משתמש גרפי שיעזור בניתוח.

הממשק מוצג באיור עם כל השלבים המסומנים בלחצנים המתאימים. לפני הניתוח, טען תחילה את תמונת STEM המתוקנת על-ידי לחיצה על לחצן טען קובץ תמונה בפינה הימנית העליונה. לאחר מכן, הזן ידנית את ערך הכיול ביחידת הפיקומטר לפיקסל.

השלב הבא הוא יישום טכניקות שונות של גינוי תמונה. ניתן למצוא את הפונקציות הקשורות בפינה השמאלית התחתונה של הממשק. הטכניקה הראשונה היא הסינון הגוסי.

יש מחוון לבחירת מספר עוצמות הפיקסלים הסמוכות לממוצע. הזזת המחוון והמסנן הגוסיאני יוחלו על התמונה. השני הוא סינון פורייה.

חפש כרטיסיה בשם FFT בפינה הימנית התחתונה. יש מחוון להגבלת התדר המרחבי כדי להפחית את הרעש בתדר גבוה. הזז את המחוון והמסנן פורייה יוחל על התמונה.

השלישי הוא פירוק ריצ'רדסון ולוסי. מצא כרטיסיה הנקראת deconvolution בפינה השמאלית התחתונה, שם יש שתי תיבות קלט עבור איטרציות של deconvolution עיוורת ו Deconvolution ריצ'רדסון-לוסי, בהתאמה. שנה את הערך והחל את אלגוריתם ההפחתה על-ידי לחיצה על הלחצן.

שלב שני: חיפוש וזיקוק מיקום אטום. הפונקציות הקשורות ניתן למצוא בלוח בצד ימין. ראשית, מצא את תנוחות האטום הראשוניות.

הגדר את המרחק המינימלי בפיקסלים על-ידי שינוי הערך בתיבת הקלט המגדיר את המרחק בין שתי הפסגות הקרובות ביותר. לאחר מכן לחץ על לחצן מצא מיקום ראשוני, באפליקציית Easy-STEM שים לב, כמעט באופן בלתי נמנע, יש עמדות נוספות או עמדות חסרות באמצעות אלגוריתם פשוט זה. אז מצב תיקון ידני נוצר באפליקציית Easy-STEM כדי לתקן את מיקומי האטום הראשוניים.

הוא מאפשר לך להשתמש בקלט סמן העכבר כדי להוסיף או להסיר מיקומים ראשוניים האינדקס הבא מיקום האטום הראשוני עם מערכת מבוססת וקטור תא יחידה. תחילה, הגדירו נקודת מקור בתמונה. באפליקציית Easy-STEM, לחצו על כפתור find origin לאחר לחיצה על הכפתור, גררו את המצביע לאחד ממיקומי האטום הראשוניים כדי להגדיר אותו כמקור.

שנית, הגדירו את תא היחידה הדו-מימדית שאתם ו-v וקטורים ואת שברי תא היחידה. שים לב, שבר הסריג, אתה ו- v, קובע את ערך שבר הסריג לאורך וקטור תא היחידה. לדוגמה, בתא יחידת פרוביסקיט ABO3, ניתן לחלק את תא היחידה באופן שווה לשני חצאים לאורך שני הכיוונים הווקטוריים של תא יחידה ניצבת.

כתוצאה מכך, ישנם שני שברים לאורך כל כיוונים וקטוריים של תא יחידה. אז ערכי שבר תא היחידה הם 2 ו - 2, עבורך ועבור כיוונים v, בהתאמה. לחץ על לחצן חפש את ו' וגרור את המצביע לסוף תאי היחידה.

הגדר את ערך שבר הסריג על-ידי שינוי הערך בתיבות הקלט lat frac v. לאחר מכן לחץ על כפתור הסריג לחשב כדי ליצור אינדקס כל האטומים לאחר קבלת מיקומי האטום הראשוניים ואינדקס האטומים בתמונה. יש לבצע התאמה גאוסיאנית דו-ממדית סביב כל עמודה אטומית כדי להשיג את הדיוק ברמת תת-הפיקסלים בניתוח.

לחצו על המיקומים המעודנים באפליקציית EasySTEM כדי לחדד עמדות אטום עם התאמה גאוסיאנית דו-מימדית. מרכז הפסגות המותאמות יתווה לאחר המדידה. להלן שלב אופציונלי: מקד את המיקומים האטומיים באמצעות אלגוריתם MPFit.

כאשר העוצמות מעמודות אטומיות סמוכות חופפות זו לזו, לחץ על לחצן MPFit חופף ב- EasySTEM כדי לחדד את המיקום האטומי עם אלגוריתם התאמה רב-שיא גאוסיאני דו-מימדי. לבסוף שמור את התוצאות על-ידי לחיצה על לחצן שמור מיקום אטום. האפליקציה תציג בפני המשתמש בקשה למיקום השמירה ולשם הקובץ.

כל התוצאות שנשמרו נכללות במשתנה הנקרא atom_pos, בסביבת העבודה MATLAB. בתוך המשתנה atom_pos יש שדה שנקרא posRefineM. המיקומים המעודנים מפורטים בעמודות שלוש וארבע ואינדקסים מפורטים בעמודות שמונה ותשע.

איור 3 מציג את התוצאות לדוגמה של מעקב אחר מיקום אטום. תמונת גזע ADF גולמית של תא יחידה של הפרוביסקיט APO3 מוצגת באיור 3A ופרופיל עוצמתו מותווה בתלת מימד, באיור 3B. איור 3C מציג את התוצאות לאחר החלת סינון גאוסיאני על תמונת STEM באיור 3A, ופרופיל העוצמה מותווה באיור תלת-ממד.

תנוחות האטום הראשוניות מסומנות על ידי העיגולים הצהובים באיור 3E. המיקומים האטומיים כלולים באינדקס בהתבסס על וקטורים של תאי יחידה המוצגים באיור 3F. באיור 3G ו 3H, עמדות מעודן גאוסיאני 2D מסומנים כמו עיגולים אדומים.

לבסוף, היתרון של החלת אלגוריתם MPFit על העוצמות החופפות מוצג באיור 3I. שלב שלישי: חילוץ מידע פיזי. כדי להדגים את מיצוי המידע הפיזי, תמונת STEM של היישום של סידן-3 רותניום-2 תחמוצת-7 סידן רותנאט גביש מוצג באיור 4A ו 4B.

לאחר השלב הראשון והשלב השני, תנוחות האטום המעודן נקבעות ומוצגות באיור 4C. יתר על כן, באמצעות מערכת יצירת האינדקסים, ניתן לזהות כל סוג של אטום ולהשתמש בו לעיבוד נוסף. לדוגמה, אטומי הסידן במרכז העליון ובצד התחתון של שכבת הפרוביסקיט ניתנים לזיהוי בקלות ומיקומם מוצג עם עיגולים מלאים בצבעים שונים כפי שמוצג באיור 4D.

הנה ההדגמה כיצד למדוד את התזוזה האטומית בהתבסס על מדד תא היחידה. נתוני תמונת ה- STEM מגביש סידן רותנאט משמשים כאן, כדוגמה. את עקירת הקוטב בגביש זה ניתן לדמיין בתמונות ADF STEM על ידי ניתוח עקירת אטומי הסידן במרכז שכבת הפרוביסקיט הכפולה.

הגדר תחילה מרכז תאים של יחידה. כאן, עמדת הייחוס למדידת תזוזת הסידן במרכז מוגדרת כמיקום הממוצע של אטומי סידן עליונים ותחתונים. שים לב שבר הסריג מספר 4 גביש סידן רותנאט בתמונה זו הוא 10 בכיוון אנכי ושניים בכיוון האופקי, כפי שמוצג כאן.

באמצעות מערכת יצירת האינדקסים הנ"ל, כל האטומים בכל תא יחידה כלולים באינדקס. שני סוגים של אטומי סידן בשכבה הראשונה מסומנים עם 0 ו 0.4. ואלה בשכבה השנייה מסומנים עם 0.5 ו 0.9.

שנית, מצא את המיקום של האטום שנעקר. אטום הספירה העקורה כאן מסומן ב- 0.2 ו- 0.7 Third, ומצא באופן איטרטיבי את מיקומם של מרכזי התאים של יחידת הייחוס ואטומים שנעקרו עבור כל תאי היחידה המלאים בתמונה. לבסוף, חשב את וקטור ההעתקה, בהתבסס על המיקומים הנמדדים.

קוד MATLAB הקשור הכולל איטרטיבית, מציאת עמדות של אטומים מסוימים ומדידת התזוזה מצורף בחומרים משלימים. לאחר מכן, לכמת את זן הסריג. באפליקציית EasySTEM, לחץ על המתח לחישוב בהתבסס על לחצן המיקומים האטומיים מתחת לכרטיסיה לכימות בחלק הימני העליון של הממשק.

תהליך החישוב המפורט כרוך בשלבים מרובים והוא מפורט בקובץ ה- Script הידני. קיימות מספר שיטות נפוצות להדמיית נתונים, כולל מפות קווים, מפות וקטוריות ומפות צבע, להצגת מרחק אטומי, תזוזה אטומית, זן וכדומה. היישום המפורט נכלל בטקסט כתב היד והנה כמה תוצאות מייצגות מהדוגמה הקודמת על גביש סידן רותנאט.

איור 5A הוא דוגמה ליישום המפות הווקטוריות המציגות את תזוזת הקוטב. החצים צבועים בהתאם לכיוון. קירות התחום האנכיים של 90 מעלות מסומנים בחצים כחולים וקיר תחום אופקי של 180 מעלות מצוין עם חץ אדום.

איור 5B הוא דוגמה ליישום מפות צבע המציגות את הקיטובים. הצבעים מציינים את גודל הגודל בכיוונים שמאלה וימינה. הפחתת העוצמה של איור 5C בצבע דהוי היא דוגמה ליישום מפות הצבעים המציגות את המתח בכיוון האופקי.

הצבע האדום והכחול מציינים את הערך של זן מתיחה ומתח דחיסה, בהתאמה. כדי להדגים את דיוק המדידה, איור 6A מציג את הכימות הסטטיסטי של המרחק הנמדד בין אתרי A פרוביסקיט, המוצג כהיסטוגרמה. התאמת ההפצה הרגילה מותוות ומכסה כקו אדום מקווקו את הקו המציג את הממוצע של 300.5 פיקומטרים, ואת סטיית התקן של 4.8 פיקומטרים.

איור 6B מציג את הכימות הסטטיסטי של מדידת הזווית הווקטורית של תא יחידת הפרוביסקיט, המוצגת כהיסטוגרמה. התאמת ההתפלגות הרגילה מותוות ומציגה ממוצע של 90.0 מעלות וסטיית תקן של 1.3 מעלות. איור 6C מציג את הכימות הסטטיסטי של מדידת עקירת הקוטב בגביש סידן רותנאט, המוצג כהיסטוגרמה.

התאמת ההפצה הרגילה מותוותה ומציגה את הממוצע של 25.6 פיקומטרים וסטיית תקן של 7.7 פיקומטרים. לאחר הניתוח, הקפד לבדוק שוב עם הנתונים הגולמיים שלך כדי לוודא שאין פריטים חזותיים שנוצרו על-ידי עיבוד הנתונים. אני מאמין הליך זה, המוצע כאן, יהיה מגוון רחב של יישומים, לראות עיבוד תמונה מיקרוסקופיה אלקטרונים, וזה יעזור לחוקרים לסווג ולקבוע את יחסי המאפיין המבני.