Name: 電子顕微鏡によるピソメーク精度原子位置追跡 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-07-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 4 s
Description: 学ぼう、原子分解能のSTEM画像解析ワークフロー。MATLABアプリEasy-STEMを用いて原子位置の定量、ドリフト補正、ノイズ除去を行い、格子歪みや欠陥を正確に解析する方法を解説します。

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L.MとN.A.の研究は、ペン州ナノスケール科学センター(助成金番号DMR-2011839(2020-2026)のNSF MRSECによってサポートされています。D.Mは、米国エネルギー省(DOE)のUT-Battelle(LLC)が管理するORNLの研究所主導型研究開発(LDRD)プログラムによって支援されました。A.CとN.A.は、空軍科学研究局(AFOSR)プログラムFA9550-18-1-0277とゲームMURI、10059059-PENNのサポートを認めています。

<ol><li>Batson, P. E., Dellby, N., Krivanek, O. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sub-a%C3%A5ngstrom+resolution+using+aberration+corrected+electron+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Sub-aångstrom 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/pubmed?term=((Electron+microscopy+image+enhanced%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Atomic-scale+imaging+of+nanoengineered+oxygen+vacancy+profiles+in+SrTiO3%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Robust+atomic+resolution+imaging+of+light+elements+using+scanning+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((High+Dynamic+Range+Pixel+Array+Detector+for+Scanning+Transmission+Electron+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Experimental+tests+on+double-resolution+coherent+imaging+via+STEM%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Electron+ptychography+of+2D+materials+to+deep+sub-%C3%A5ngstr%C3%B6m+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Electron ptychography of 2D materials to deep sub-ångström resolution.</a> Nature. 559, 343-349 (2018).</li>
<li>Yang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deciphering+chemical+order%2Fdisorder+and+material+properties+at+the+single-atom+level%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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., Ávila-Brande, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+estimation+of+atomic+positions+from+exit+wave+reconstruction+with+a+precision+in+the+picometer+range%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Probing+oxygen+vacancy+concentration+and+homogeneity+in+solid-oxide+fuel-cell+cathode+materials+on+the+subunit-cell+level%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Mater%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Defect+Coupling+and+Sub-Angstrom+Structural+Distortions+in+W1-xMoxS2+Monolayers%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Illuminating+Invisible+Grain+Boundaries+in+Coalesced+Single-Orientation+WS2+Monolayer+Films%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Atomic-scale+measurement+of+polar+entropy%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+Review+B%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Observation+of+polar+vortices+in+oxide+superlattices%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Non-rigid+registration+and+non-local+principle+component+analysis+to+improve+electron+microscopy+spectrum+images%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Improvement+of+Spatial+Resolution+of+STEM-HAADF+Image+by+Maximum-Entropy+and+Richardson-Lucy+Deconvolution%5BTitle%5D)+AND+%22EMC%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Correcting+nonlinear+drift+distortion+of+scanning+probe+and+scanning+transmission+electron+microscopies+from+image+pairs+with+orthogonal+scan+directions%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Deep+learning+enabled+strain+mapping+of+single-atom+defects+in+two-dimensional+transition+metal+dichalcogenides+with+sub-picometer+precision%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Bending+and+breaking+of+stripes+in+a+charge+ordered+manganite%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Atomic+scale+imaging+of+competing+polar+states+in+a+Ruddlesden-Popper+layered+oxide%5BTitle%5D)+AND+%22Natature+Communications%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((mpfit%3A+a+robust+method+for+fitting+atomic+resolution+images+with+multiple+Gaussian+peaks%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Structural+and+Chemical+Imaging%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Oxygen+octahedra+picker%3A+A+software+tool+to+extract+quantitative+information+from+STEM+images%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Atomap%3A+a+new+software+tool+for+the+automated+analysis+of+atomic+resolution+images+using+two-dimensional+Gaussian+fitting%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Structral+and+Chemical+Imaging%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((StatSTEM%3A+An+efficient+approach+for+accurate+and+precise+model-based+quantification+of+atomic+resolution+electron+microscopy+images%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Picometre-precision+analysis+of+scanning+transmission+electron+microscopy+images+of+platinum+nanocatalysts%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Picometre-precision analysis of scanning transmission electron microscopy images of platinum nanocatalysts.</a> Nature Communications. , (2014).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

取得後の処理に取り組む場合は、注意が必要です。まず、画像のドリフト補正中に、アルゴリズムは0°画像が水平高速スキャン方向を持つものと仮定するため、計算の前に方向を再確認します。スキャン方向が正しく設定されていない場合、ドリフト補正アルゴリズムは失敗し、出力17にアーティファクトが生じる可能性があります。次に、イメージングのノイズ化中に、特定の方法でアーティファクトを導入する可能性があります。たとえば、フーリエ フィルタリングでは、空間解像度が適切に制限されていない場合、空室サイトでアトム列のコントラストを作成したり、画像内の微細なフィーチャを削除したりできます。その結果、ノイズ除去された画像が元の生の入力イメージに近いかどうかを確認することが極めて重要です。
次に、ローカルの最大値/最小に基づいて初期原子位置を決定する場合、アトミック列間の冗長な位置を作成しないように、ピーク間の制限最小距離を調整してみてください。これらの冗長な位置は、アルゴリズムが誤ってイメージ内のローカルの最大/最小値を原子列として認識するために生成されるアーティファクトです。さらに、画像内の様々な原子種間に大きなコントラスト差がある場合(例えば、WS2のADF-STEM画像)の位置の大部分を見つけるためにしきい値を調整することができる。イメージの初期アトミック位置のほとんどを取得した後、不足しているものを手動で追加するか、または最善の努力で余分なものを削除してみてください。また、画像内の周期性に大きな中断がない場合には、原子のインデックス化方法が最も効果的である。画像に表示される粒子境界や位相境界などの中断がある場合、インデックス化が失敗することがあります。この問題の解決策は、画像内の対象領域を定義し(EASY-STEMアプリで [対象領域の定義 ]ボタンをクリック)、各領域内の位置を個別にインデックス化して絞り込みます。その後、同じ画像内の異なる領域のデータセットを 1 つのデータセットに簡単に結合し、解析に取り組むことができます。
最後に、2D-Gaussian のピーク 継手を適用した後、入力イメージに微調整された位置ポイントを分散して、適合結果を検証し、精製された位置が原子列から逸脱しているかどうかを確認します。単一のガウスフィッティングアルゴリズムによって提供される精度は、ほとんどのSTEM実験で十分です。しかし、隣接する原子からの強度により位置が逸脱する場合は、マルチピークフィッティング(mpfit)アルゴリズムを使用して、隣接する原子列21から強度を分離する。それ以外の場合、特定の原子列から画質の問題や低強度に起因する位置が逸脱した場合、その位置で適合位置を破棄することが示唆される。
原子位置測定のためのいくつかの既存の特殊なアルゴリズムがあり、例えば、酸素オクタヘドラピッカーソフトウェア22、Atomapパイソンパッケージ23、およびStatSTEM Matlabパッケージ24。ただし、これらのアルゴリズムには、特定の面でいくつかの制限があります。例えば、酸素オクタヘドラピッカーは、明らかに解決された原子列のみを含むSTEM画像の入力を必要とし、したがって強度21を重ね合う原子列を有する画像の問題に対処できなかった。一方、Atomapは「ダンベルのような」原子列の位置を計算できますが、このプロセスはあまり簡単ではありません。さらに、StatSTEM は重複する強度を定量化するための優れたアルゴリズムですが、反復モデルベースのフィッティングプロセスは計算上高価な21 です。対照的に、高度なmpfitアルゴリズムと統合されたMatlabアプリEASY-STEMと共にこの研究で導入された当社のアプローチは、重なり合う強度の問題に対処することができ、競争力のある測定精度を提供しながら、StatSTEMよりも計算上コストが低い。さらに、Atomapおよび酸素八面体ピッカーソフトウェアパッケージからの分析は、ABO3 ペロブスカイト結晶からのデータを分析するために設計され、特殊化されていますが、この研究で示されているインデックスシステムは、さまざまな材料システムについてはるかに柔軟です。この方法を使用すると、ユーザーは、洗練された原子位置とユニットセルベクトルインデックスの両方を含む出力結果に基づいて、独自の材料システムのデータ分析を完全に設計し、カスタマイズすることができます。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig06.jpg"> 図6: 原子位置発見の統計的定量法. (a ) ヒストグラムで提示されたペロブスカイトAサイトからAサイトまでの距離の分布正規分布フィッティングは、午後300.5時の平均と4.8pmの標準偏差を示す赤い破線としてプロットされ、重ね合わされます。正規分布継手は、90.0°の平均と1.3°の標準偏差を示す赤い破線としてプロットされ、重ね合わせられます。(c)Ca3Ru2O7(CRO)における極偏位測定の統計的定量をヒストグラムとして提示する。正規分布継手は、25.6 pmの平均と7.7 pmの標準偏差を示す赤い破線としてプロットされ、重ね合<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig06large.jpg" target="_blank">わされています。</a>
ここで紹介するメソッドは、実装のためのピクメータレベルの精度とシンプルさを提供します。測定精度を実証するために、原子位置発見の統計的定量を 図6に示す。立方体ABO3 ペロブスカイトAサイト距離分布と単位細胞ベクトル角度分布の測定値は、それぞれ 図6a および 図6bのヒストグラムを用いてプロットされる。正規分布曲線を分布に合わせることによって、Aサイト距離分布は平均300.5 pmを示し、標準偏差は午後4.8時、単位セルベクトル角度分布は平均90.0°、標準偏差は1.3°を示します。統計的定量は、ここで提案された方法がピクメータレベルの精度を可能にし、イメージング中のドリフトによる歪みを大幅に軽減できることを示しています。この結果は、測定する物理的情報がおよそ午後10時以上である場合に、この測定が信頼できることを示唆しています。例えば、前述のCRO結晶の場合、極偏位の大きさの測定を 図6cに示す。測定は、午後7時の標準偏差である25.6pmの平均を示し、CRO STEM画像の極偏差測定が固体であることを示しています。また、ビーム感度サンプルを撮像する場合、低信号対雑音比などの実験上の制限がある場合は、より注意が必要です。そのような場合、測定された原子位置は、測定の妥当性を確認するために生画像に対して綿密に調べる必要があります。したがって、ここで紹介した解析方法は、より最近の高度なアルゴリズムと比較して、測定精度に限界があります。サブピコメータレベルで精度が必要な場合、この方法は不十分であるため、画像内で抽出される機能が一定の閾値を下回る場合は、より高度な解析ルーチンが必要です。例えば、非剛性登録アルゴリズムは、シリコン上でサブピソメーターの精密測定を示しており、単一のPtナノ粒子25上で結合長変動を正確に測定することが可能である。最近では、ディープラーニングアルゴリズムを用いて、膨大な量のSTEM画像データから2次元遷移金属ジカルコゲニド単層の様々なタイプの点欠陥を同定しました。その後、異なるタイプの欠陥の平均画像に対して測定を行い、この方法は、それらの欠陥18の周囲の歪みにサブピコメータレベルの精度を実証しました。そのため、分析能力を向上させる将来の計画として、ディープラーニングなどの高度なアルゴリズムの開発と実装が進んでいます。また、今後のデータ解析ツールの更新に統合することも試みています。

現代の走査型透過電子顕微鏡(STEM)における球面収差補正の開発により、マイクロスコピストは、サブオングストロームサイズの電子ビーム1,2で結晶を探査することを可能にした。これにより、重い要素と軽い要素3、4の両方に対して解釈可能な原子分解能画像を持つ多種多様な結晶中の個々の原子カラムのイメージングが可能になった。画素化直接電子検出器およびデータ解析アルゴリズムの最近の進展により、ptychographyなどの位相再構成イメージング技術が可能になり、空間分解能のさらなる改善が午後30時頃、6、7となっている。さらに、STEM断層撮影における最近の進歩は、単一ナノ粒子8の三次元原子分解再構成を可能にした。電子顕微鏡は、高精度と部位特異性の両方で材料の構造特性を定量化するための非常に強力なツールとなっています。
超高解像度のSTEM画像をデータ入力として、構造歪みの直接測定を行い、原子スケール9,10で結晶から物理的情報を抽出した。例えば、WS2単層内のMoドーパントと単一のS空孔との間の欠陥結合を、原子位置を測定し、次いで投影結合長11を計算することによって直接可視化した。さらに、単層WS2における結晶界面上の測定は、単層WS2における合体粒子境界など、局所原子配置12を示すことができる。LiNbO3の強誘電体ドメイン壁に対して行われた界面解析により、ドメイン壁がイジング状態とニール状態13の組み合わせであることが明らかになった。別の例は、SrTiO 3-PbTiO3超格子で達成された極渦構造の視覚化であり、ストロンチウムおよび鉛カラム位置14に対するチタン原子カラム変位の計算によって達成される。最後に、非局所原理成分分析15による画像の脱明などのコンピュータビジョンアルゴリズムの進歩により、リチャードソンとルーシーの沈降16、非線形登録17によるドリフト補正、およびディープラーニングによるパターン認識により、サブピソメータ精度18に対する測定の精度が著しく強化されている。そのような例の1つは、シグナル対ノイズ比を高めるために、複数の高速スキャン極低温-STEM画像のアライメントと画像登録です。続いて、Fourierマスキング技術を適用し、周期格子歪み19を直接可視化して結晶中の電荷密度波を解析した。信じられないほどの収差補正されたSTEM計測器は、世界中の研究者にますますアクセス可能ですが、高度なデータ分析手順と方法は依然として珍しく、データ分析の経験がない人にとっては大きな障壁です。
今回の研究では、原子分解能のSTEM画像の計測の完全な経路を紹介しています。このプロセスには、まず収差補正顕微鏡でSTEM画像を取得し、続いて取得後の脱ノイズ/ドリフト補正を行い、測定精度を向上させることが含まれます。次に、原子柱20,21をわずかに重ね合わせるための2D-Gaussianシングルピークフィッティングまたはマルチピークフィッティングルーチンのいずれかで、原子列位置を明確に解決し、正確に定量化する既存の方法についてさらに議論する。最後に、このチュートリアルでは、結晶構造内の格子歪み/歪みの定量方法、または格子周期が乱される欠陥/インタフェースでの方法について説明します。また、専用の分析コードやソフトウェアを書くことなく、STEM画像の分析に役立つグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)を備えた簡単な自己開発無料MATLABアプリ(EASY-STEM)を紹介します。ここに示す高度なデータ解析方法は、欠陥緩和、局所構造歪み、局所相変換、非中心対称性の局所的な定量化に適用できます。

<table><tbody><tr><td>EASY-STEM</td><td>Nasim Alem Group、ペンシルベニア州立大学の</td><td></td><td>STEM画像処理用Matlabアプリ。ダウンロードリンク:</td></tr><tr><td>https://github.com/miaoleixin1994/EASY-STEM.git JoVEの記事 サンプルスクリプト</td><td>Nasim Alem Group、ペンシルベニア州立大学</td><td></td><td>単位細胞内の原子をソートするためのスクリプト</td></tr><tr><td>Matlab最適化ツールボックス</td><td>MathWorks</td><td></td>最適化<td>アドオンパッケージ Matlab</td></tr>の <tr><td>MathLab</td>の <td>MathWorks</td><td></td><td>の数値計算ソフトウェア</td></tr><tr><td>Matlab:画像処理ツールボックス</td><td>MathWorks</td><td></td><td>Matlabの画像処理アドオンパッケージ</td></tr></tbody></table>

電子顕微鏡によるピソメーク精度原子位置追跡

Picometer-Precision Atomic Position Tracking through Electron Microscopy

現代の収差補正走査型透過電子顕微鏡(AC-STEM)は、サブオングストローム分解能を有する原子カラムの直接可視化に成功しました。この大きな進歩により、高度な画像の定量と分析は未だ初期段階にあります。本研究では、原子分解能走査透過電子顕微鏡(STEM)画像の計測の完全経路を提示する。これには、(1)高品質のSTEM画像を取得するためのヒントが含まれます。(2) 測定精度を高めるための、非ノイズおよびドリフト補正(3) 初期原子位置の取得(4) 単位セルベクターに基づいて原子のインデックスを作成する。(5)原子列を2D-Gaussianシングルピークフィッティングまたは(6)少し重なっている原子列のためのマルチピークフィッティングルーチンのいずれかで原子列位置を定量化する。(7)結晶構造内または格子周期性が破壊される欠陥/インターフェースにおける格子歪み/歪みの定量化。(8)解析を視覚化して提示するいくつかの一般的な方法。
さらに、グラフィカルユーザーインターフェース(GUI)を備えたシンプルな自己開発無料MATLABアプリ(EASY-STEM)が提示されます。GUIは、専用の分析コードやソフトウェアを作成することなく、STEMイメージの分析を支援できます。ここに示す高度なデータ解析方法は、欠陥緩和、局所構造歪み、局所相変換、非中心対称性の局所的な定量化に適用できます。

図 3は、プロトコルの手順 1 と 2 に従って、アトミック位置の追跡の結果の例を示しています。ABO3ペロブスカイトのユニットセルの生のADF-STEM画像を図3aに示し、その強度プロファイルは図3bの3-Dにプロットされている。図3cは、ガウスフィルタリングが図3aのSTEM画像に適用された後の結果を示し、強度プロファイルは図3dにプロットされている。初期位置はイメージ内の局所的な最大値を見つけることによって決定され、位置は図 3eの黄色い円で示されます。アトミック位置は、単位セルベクトルに基づいてインデックスが作成され、図 3fに示されています。初期位置が見つまり、インデックスが作成された後、2D ガウスフィッティングが適用され、計測をさらに洗練します。図3gおよび図3hでは、フィット位置が赤い円として示され、初期位置(黄色の円)に比べて絞り込まれた位置が中心に近づくにつれて測定精度が向上する。最後に、重なり合う強度にmpfitアルゴリズムを適用する利点は、BaMnSb2結晶のADF-STEM画像に示される(図3i)。通常の 2D ガウスフィッティング (赤い円) は黄色の矢印で強調表示されている Mn 列で重大な障害を起こし、mpfit アルゴリズムは位置をより正確に決定できます (緑の円)。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig04.jpg"> 図4:CA3Ru2O7(CRO)のHAADF-STEM画像(a)を結晶構造概略に重ね合わせたCa3Ru2O7(CRO)結晶のADF-STEM画像の拡大画像。ペロブスカイト層におけるCa原子の相対変位は黄色の矢印で強調表示されます。(b) ドリフト補正およびノイズ除去された ADF-STEM 画像(c) を重ね合わせ、洗練された原子位置 (赤い点) を重ねた。(d) ペロブスカイト層の上部(赤)、中央(青)、下(黄色)Ca原子を同定するためにインデックス化システムを用いた例。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig04large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
Ca3Ru2O 7(CRO)のHAADF-STEM画像を図4aおよび図4bに示す(オーバーレイされた結晶構造を有する)。CROは、極空間群A21amを有するラドルスデン・ポッパー相ペロブスカイト結晶である。ADF-STEMイメージングは、より重い元素(CaとRu)とのコントラストを示していますが、O原子は、HAADF検出器で見えるように十分な強度のビームを散乱させないように、より軽い原子として視覚化されません。結晶構造の非中心対称性は、O八面体の傾きによって引き起こされ、二重ペロブスカイト層の中央にあるCa原子の変位を解析することによってADF-STEM画像で可視化することができる。「プロトコル」セクションに記載されている手順に従うことで、図 4cに示すように、このイメージ内のすべての原子位置を、適合した 2D ガウスピークの中心を見つけることによって見つけられる。さらに、インデックス化システムを用いて、ステップ3.2において、単位セル内の各タイプの原子を特定し、更なる処理に使用することができる。例えば、ペロブスカイト二重層の上側、中央部、下側のCa原子を容易に識別でき、その位置は、図4dに示すように、異なる色で満たされた円で提示される。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62164/62164fig05.jpg"> 図5: 物理的な情報(a ) 中心Ca変位パターンから得られた偏光を示すベクトルマップの実装例。矢印は、向き(右に赤、左に青)に基づいて色付けされます。垂直の頭から頭への垂直および頭から尾へのドメインの壁は青い矢印で示され、水平180°ドメイン壁は赤い矢印で示される。(b) 偏光を示す偽色マップの実装例。色は、左(黄色)と右(紫)の方向の大きさを示します。強度が小さくなると、色が薄くなります。(c)イメージ内のεxx歪みを示す偽色マップの実装例。色は引張り(赤)と圧縮(青)のひずみの値を示します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62164/62164fig05large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
STEM画像内の原子の位置付けとインデックス作成後、図5に示すように、物理情報を抽出し、さまざまな種類のプロットを介して可視化することができる。偏光方向を示すベクトルマップを図5aに示します。矢印は、投影された偏光方向に向かって向き、向きに基づいて矢印を色付けすることで、縦方向の頭から頭に向かう 90° ドメインの壁 (青い矢印で示されています) と水平方向の 180° ドメイン壁 (赤い矢印で示されています) が画像の上部に表示されます。図5bに示すように偽色の地図を構築することで、中心のフェーディングカラーを通して極変位の大きさが減少し、頭から尾までのドメインの壁を視覚化することができます。ベクトルマップと偽色マップを組み合わせることで、3つのドメイン壁によって形成されたTジャンクションがADF-STEM画像に示されています。さらに、画像内の各単位セルの寸法を測定すると、図5cに示すように、ε xxひずみマップを構築できます。

この研究は、原子分解能透過電子顕微鏡イメージングにおける原子位置追跡のワークフローを提示する。このワークフローは、オープンソースのMatlabアプリ(EASY-STEM)を使用して実行されます。

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

収差補正により、高度な電子顕微鏡の分解能をサブオングストロームレベルまで押し下げることができ、結晶中の個々の原子を解決することができました。この進歩により、私はまだ多くの科学者にとって大きな障壁であることを知っているソフトウェアまたは高度なデータ分析方法を欠いています。ここでは、原子解像度染色画像の完全な計測を実行することを可能にするEasySTEMと呼ばれる自己開発の無料MATLABアプリケーションを提示しています。これは、マウスのクリックで簡単に使用できるソフトウェアグラフィカルユーザーインターフェイスであり、専用の高度なコードを書く必要はありません。ここでは、このチュートリアルでは、まず取得後の脱ノイズおよびドリフト補正のヒントを紹介し、次に、原子列位置、格子歪みの定量、結晶の歪み、欠陥およびインターフェースを正確に定量する方法を示します。次に、多くのSTEM画像でトリッキーな重なり合う原子列を分離する方法と、ソフトウェアに開発して含まれているユニット7混合アルゴリズムを使用して異なる種類の原子を分離する方法を示します。ここでは、原子位置定量の一般的な手順を示すフローチャートです。プロトコルは、良い画像データを取得するためのいくつかのヒントから始まります。まず、高いTEMサンプル品質を確認してください。画像処理には、染色済み、清潔、損傷のない TEM サンプルを使用するようにしてください。サンプルの取り扱いと読み込みの際に、誤ってサンプルを汚染しないようにしてください。次に、挿入前にサンプルをクリーニングします。プラズマクリーナーを使用するか、真空を焼くか、またはビームシャワーを適用してサンプルをきれいにします。画像撮影時の損傷や汚染された領域を避けてください。3つ目は、顕微鏡を合わせ、収差補正器を調整して、収差係数をできるだけ最小限に抑えます。標準的なサンプルでいくつかのSTEM画像を取得して、空間分解能で十分であることを確認して、解像度をタスクします。4つは、撮像中に、光軸が結晶の特定のゾーン軸に揃えられるまでサンプルを傾ける。第5に、電子線量を最適化しながら電子ビームの損傷を最小限に抑え、イメージング中のサンプルドリフトを制限する。ここでの目標は、ビーム損傷を引き起こしたり、イメージングアーティファクトを作成したりすることなく、より高い信号対ノイズ比を持つことを目的としています。最後に、異なるスキャン方向のSTEM画像を取得します。通常は、最初に1つのスキャン画像を取得し、スキャン方向を90度回転させた直後に同じ領域から2番目の画像を取得します。画像は、スキャン方向を除いて、同じイメージング条件を使用して撮影する必要があります。このステップの目的は、回転した画像をドリフト補正アルゴリズムにフィードすることです。次に、異なるスキャン方向を持つ2つ以上の画像を補正アルゴリズムに送り込み、非線形補正アルゴリズムでドリフト補正を行います。このアルゴリズムは、ドリフト補正されたSTEM画像を出力します。オープンソースのMATLABコードとプロセスの詳細な説明は、コリン・オフスが執筆したオリジナルの論文に記載されています。ここでは、分析を支援するグラフィカルユーザーインターフェイスを備えたEasy-STEMという名前の無料のインタラクティブMATLABアプリを紹介します。このインターフェイスは、対応するボタンにラベルが付いたすべてのステップを示しています。解析の前に、左上隅にある画像ファイルの読み込みボタンをクリックして、まずドリフト補正されたSTEM画像をロードします。次に、キャリブレーション値をピクセル当たりのピソメーター単位で手動で入力する。次のステップは、さまざまな画像の削除技術を適用することです。関連する関数は、インタフェースの左下隅にあります。最初の手法はガウスフィルタリングです。近傍のピクセルの輝度の平均数を選択するスライダーがあります。スライダを動かすと、ガウスフィルタが画像に適用されます。2 つ目はフーリエ フィルタリングです。左下にFFTというタブがあります。高周波ノイズを低減するために空間周波数を制限するためのスライダーがあります。スライダを動かすと、フーリエフィルタが画像に適用されます。3つ目はリチャードソンとルーシーのデコンボリューションです。左下隅にデコンボリューションと呼ばれるタブがあり、ブラインドデコンボリューションとリチャードソン・ルーシーの畳み込みの反復に対応する2つの入力ボックスがあります。ボタンをクリックして値を変更し、デコンボリューションアルゴリズムを適用します。ステップ2:原子位置の検索と精製。関連する機能は右側のパネルにあります。まず、初期原子位置を見つけます。最も近い 2 つのピーク間の距離を定義する入力ボックスの値を変更して、最小距離をピクセル単位で定義します。その後、最初の位置を見つけるボタンをクリックし、Easy-STEMアプリで、ほとんど必然的に、この単純なアルゴリズムを使用して余分な位置や欠落している位置があることに注意してください。したがって、手動修正モードは、初期原子位置を修正するためにEasy-STEMアプリで作成されます。マウスカーソル入力を使用して、初期位置を追加または削除するには、ユニットセルベクトルベースのシステムで初期アトム位置をインデックスします。まず、イメージの原点を定義します。Easy-STEMアプリで、ボタンをクリックした後に原点を見つけるボタンをクリックし、ポインタを最初の原子位置のいずれかにドラッグして原点として定義します。次に、2D 単位セルのユーと v ベクトルと単位セルの分数を定義します。なお、ラティス分数は、あなたとvで、単位セルベクトルに沿ってラティスの小数の値を決定します。例えば、ABO3ペロブスカイト単位セルにおいて、単位セルは、2つの垂直単位セルベクター方向に沿って2つの半分に均等に分割することができる。したがって、各単位セルベクトル方向に沿って 2 つの分数があります。したがって、単位セルの分数値は、それぞれ 2 と 2 で、それぞれ、ユー方向と v 方向向けです。「u,v を検索」ボタンをクリックし、ポインタをユニットセルの末尾までドラッグします。ラティス フラクチャの値を変更して、ラティスフラクション値を定義し、ラティス フラック v 入力ボックスを使用します。次に、ラティス計算ボタンをクリックして、初期原子位置を取得し、画像内の原子をインデックス化した後、すべての原子をインデックス化します。各原子列の周囲に 2D ガウスフィッティングを実行して、解析でサブピクセル レベルの精度を実現する必要があります。EasySTEM アプリで洗練された位置をクリックして、2D ガウスフィッティングで原子の位置を調整します。フィットしたピークの中心は、フィッティングの後にプロットされます。ここではオプションのステップです:MPFit アルゴリズムを使用してアトミック位置を調整します。隣接する原子列の強度が重なっている場合は、EasySTEMの MPFit のオーバーラップボタンをクリックして、2D ガウスのマルチピークフィッティングアルゴリズムでアトミック位置を調整します。最後に、atom位置スポットボタンを保存をクリックして結果を保存します。アプリは保存場所とファイル名をユーザーに求めます。保存されたすべての結果は、MATLAB ワークスペースの atom_pos と呼ばれる変数に含まれます。変数の中には、posRefineM というフィールドがありますatom_pos。細分化された位置は 3 桁目と 4 桁目にリストされ、索引付けは 8 桁目と 9 桁目にリストされます。図3は、原子位置追跡の結果の例を示す。APO3ペロブスカイトのユニットセルの生のADFステム画像を図3Aに示し、その強度プロファイルは図3Bの3Dでプロットされています。図3Cは、ガウスフィルタリングが図3AのSTEM画像に適用された後の結果を示し、強度プロファイルは図3Dにプロットされている。初期の原子位置は、図3Eの黄色の円で示されています。原子位置は、図3Fに示す単位セルベクトルに基づいてインデックス付けされます。図3Gおよび3Hでは、2Dガウスの精製された位置は赤い円として示されています。最後に、MPFit アルゴリズムを重なり合う強度に適用する利点を図 3I に示します。ステップ3:物理的情報の抽出。物理情報抽出を実証するために、カルシウム-3ルテニウム-2酸化物-7カルシウムルテネート結晶のアプリSTEM画像を図4Aおよび4Bに示す。ステップ1およびステップ2に続いて、精製された原子位置が決定され、図4Cに示される。さらに、インデックス化システムを用いることで、各タイプの原子を特定し、さらなる処理に使用することができる。例えば、ペロブスカイト層の上部中央および下側のカルシウム原子は容易に識別することができ、その位置は図4Dに示すように異なる色で満たされた円で提示される。ここでは、単位セルインデックスに基づいて原子変位を測定する方法のデモンストレーションを示します。ここでは、ルテネートカルシウム結晶からのSTEM画像データを例に用いる。この結晶中の極性変位は、二重ペロブスカイト層の中心にあるカルシウム原子の変位を解析することにより、ADF STEM画像で可視化することができる。まず、単位セルの中心を定義します。ここで、中心カルシウム変位を測定するための基準位置は、上下のカルシウム原子の平均位置として定義される。この画像のルテネートカルシウム結晶の格子画数4は、下図に示すように、垂直方向に10、水平方向に2です。前述のインデックス化システムを用いることで、各ユニットセル内のすべての原子がインデックス化される。第1層の2種類のカルシウム原子は0と0.4で標識されています。そして、2番目のレイヤーのレイヤーには、0.5 と 0.9 のラベルが付いています。次に、変位原子の位置を見つけます。ここでの変位計数原子は0.2と0.7第3のラベル付けされ、画像内のすべてのユニットセルの参照単位セルセンターと変位原子の位置を反復的に見つけます。最後に、測定された位置に基づいて変位ベクトルを計算します。反復的に含まれる関連 MATLAB コードは、特定の原子の位置を見つけ、変位を測定する補助材料に添付されます。次に、格子株を定量化します。EasySTEM アプリで、インターフェイスの左上にある数値化タブの下にあるアトミック位置に基づいてひずみを計算する] ボタンをクリックします。詳細な計算プロセスは、複数のステップを伴い、手動スクリプトで詳しく説明されています。データの視覚化には、アトミック距離、原子変位、ひずみなどを表示するためのライン マップ、ベクトル マップ、カラー マップなど、いくつかの一般的な方法があります。詳細な実装は原稿テキストに含まれており、ここではカルシウムルーザネート結晶に関する前の例からのいくつかの代表的な結果です。図5Aは、極偏位を示すベクトルマップの実施例である。矢印は、方向に基づいて色付けされます。垂直の90度のドメイン壁は青い矢印で示され、水平180度のドメイン壁は赤い矢印で示されます。図5Bは、偏光を示すカラーマップの実施例である。色は左右の大きさを示します。色が色あせた場合の大きさを小さくすると、図5Cは、水平方向にひずみを示すカラーマップの実装例である。赤と青の色は、それぞれ引張歪みと圧縮歪みの値を示します。測定精度を実証するために、図6Aは、ペロブスカイトA部位間の測定距離の統計的定量を、ヒストグラムとして示す図である。正規分布継手は、300.5ピソメーターの平均と4.8ピソメーターの標準偏差を示す線を赤い破線としてプロットしてオーバーレイします。図6Bは、ペロブスカイト単位細胞ベクトル角度測定の統計的定量を、ヒストグラムとして提示した図である。正規分布継手がプロットされ、90.0 度の平均と標準偏差が 1.3 度であることを示します。図6Cは、カルシウムルテネート結晶における極変位測定の統計的定量を、ヒストグラムとして提示した図である。正規分布フィッティングがプロットされ、25.6ピソメーターの平均と7.7ピソメーターの標準偏差が表示されます。分析後、生データを再確認して、データ処理によって生成されたアーティファクトがないことを確認します。ここで提案されたこの手順は、電子顕微鏡画像処理を見て幅広い応用を持ち、研究者が構造的性質の関係を分類し、決定するのに役立つと思います。

picometer-precision-atomic-position-tracking-through-electron

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