電子顕微鏡によるピソメーク精度原子位置追跡

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。