Picometer-Precision Rastreamento de posição atômica através de microscopia eletrônica

A correção da aberração nos permitiu empurrar a resolução em microscópios eletrônicos avançados para o nível sub-angstrom, e isso nos permitiu resolver os átomos individuais em um cristal. Com esse progresso ainda faltam softwares ou métodos avançados de análise de dados que eu sei que é uma grande barreira para muitos cientistas. Aqui estamos apresentando um aplicativo MATLAB auto-desenvolvido e gratuito chamado EasySTEM que nos permite realizar a metrologia completa de imagens manchadas de resolução atômica.

É uma interface de usuário gráfica de software que pode ser usada por simples cliques do mouse, e não há necessidade de escrever códigos avançados dedicados. Aqui neste tutorial, primeiro apresentamos dicas para denoizar e corrigir a deriva e depois mostramos como quantificar com precisão as posições da coluna atômica, quantificação da cepa de treliça e distorção no cristal, bem como os defeitos e interfaces. Em seguida, mostramos como separar colunas de átomos sobrepostas que são complicadas em muitas imagens STEM, e também como separar diferentes tipos de átomos usando os algoritmos de mistura da unidade 7 que desenvolvemos e incluímos no software.

Aqui está o fluxograma mostrando o procedimento geral da quantificação da posição atômica. O protocolo começa com algumas dicas para adquirir bons dados de imagem. Primeiro garanta uma alta qualidade de amostra TEM.

Tente usar amostras TEM manchadas, limpas e não danificadas para imagens. Evite contaminar acidentalmente a amostra tocando durante o manuseio e carregamento da amostra. Em segundo lugar, limpe a amostra antes da inserção.

Limpe a amostra usando limpador de plasma, assando o vácuo ou aplicando o chuveiro de feixe. Evite áreas danificadas ou contaminadas onde a imagem. Em terceiro lugar, alinhe o microscópio e sintonize os corretivos de aberração para minimizar os coeficientes de aberração o máximo possível.

Encarregar a resolução adquirindo algumas imagens STEM em uma amostra padrão para confirmar a resolução espacial é suficiente. Quatro, durante a imagem, inclinam a amostra até que o eixo óptico esteja alinhado com o eixo de zona específica do cristal. Em quinto lugar, otimize a dose de elétrons enquanto minimiza os danos causados pelo feixe de elétrons e limita a deriva da amostra durante a imagem.

O objetivo aqui é ter uma maior relação sinal/ruído sem causar danos nos feixes ou criar artefatos de imagem. Finalmente, adquira imagens STEM com diferentes direções de digitalização. Normalmente primeiro adquira uma imagem de varredura e, em seguida, pegue a segunda da mesma região imediatamente após girar a direção de digitalização em 90 graus.

As imagens devem ser tiradas usando a mesma condição de imagem, exceto para as instruções de digitalização. O objetivo desta etapa é alimentar as imagens rotativas para o algoritmo de correção de deriva. Em seguida, execute a correção de deriva com algoritmo de correção não linear alimentando duas ou mais imagens com diferentes direções de digitalização no algoritmo de correção.

O algoritmo irá produzir as imagens STEM corrigidas à deriva. O código MATLAB de código aberto e a descrição detalhada do processo podem ser encontrados no artigo original, de autoria de Colin Ophus. Aqui apresentamos um aplicativo MATLAB interativo gratuito, chamado Easy-STEM, com uma interface gráfica de usuário para ajudar na análise.

A interface é mostrada na figura com todas as etapas rotuladas nos botões correspondentes. Antes da análise, primeiro carregue a imagem STEM corrigida à deriva clicando no botão de arquivo de imagem de carga no canto superior esquerdo. Em seguida, insira manualmente o valor de calibração na unidade de picometro por pixel.

O próximo passo é aplicar várias técnicas de denoização de imagem. As funções relacionadas podem ser encontradas no canto inferior esquerdo da interface. A primeira técnica é a filtragem gaussiana.

Há um controle deslizante para selecionar o número de intensidades de pixels próximas para a média. Mova o controle deslizante e o filtro gaussiano será aplicado na imagem. A segunda é a filtragem Fourier.

Encontre uma guia chamada FFT no canto inferior esquerdo. Há um controle deslizante para restringir a frequência espacial para reduzir o ruído de alta frequência. Mova o controle deslizante e o filtro Fourier será aplicado à imagem.

A terceira é a desconvolução de Richardson e Lucy. Encontre uma guia chamada desconvolução no canto inferior esquerdo, onde há duas caixas de entrada para as iterações de desconvolução cega e desconvolução Richardson-Lucy, respectivamente. alterar o valor e aplicar o algoritmo de desconvolução clicando no botão.

Passo dois: localização e refinação da posição do átomo. As funções relacionadas podem ser encontradas no painel do lado direito. Primeiro, encontre as posições iniciais do átomo.

Defina a distância mínima em pixels alterando o valor na caixa de entrada que define a distância entre os dois picos mais próximos. Em seguida, clique no botão encontrar posição inicial, no aplicativo Easy-STEM Por favor, note, quase inevitavelmente, que há posições extras ou posições ausentes usando este algoritmo simples. Assim, um modo de correção manual é criado no aplicativo Easy-STEM para corrigir as posições iniciais do átomo.

Ele permite que você use a entrada do cursor do mouse para adicionar ou remover posições iniciais No próximo índice as posições iniciais do átomo com um sistema baseado em vetor de células unitárias. Primeiro, defina um ponto de origem na imagem. No aplicativo Easy-STEM, clique no botão encontrar origem depois de clicar no botão, arraste o ponteiro para uma das posições iniciais do átomo para defini-lo como a origem.

Em segundo lugar, defina a célula da unidade 2D que você e v vetores e as frações de célula unitária. Por favor, note, a fração de rede, você e v, determina o valor da fração da rede ao longo do vetor celular da unidade. Por exemplo, na célula da unidade perovskite ABO3, a célula unitária pode ser dividida igualmente em duas metades ao longo das duas direções de vetor de células perpendiculares da unidade.

Consequentemente, há duas frações ao longo de cada unidade de direção vetorial celular. Assim, os valores de fração da célula unitária são 2 e 2, para você e as direções V, respectivamente. Clique no botão find u, v e arraste o ponteiro até a extremidade das células unitárias.

Defina o valor da fração da rede alterando o valor nas caixas de entrada frac você e lat frac v. Em seguida, clique no botão de treliça de cálculo para indexar todos os átomos após obter as posições iniciais do átomo e indexar os átomos na imagem. Um encaixe gaussiano 2D em torno de cada coluna atômica precisa ser realizado para alcançar a precisão do nível de subcontomuto na análise.

Clique nas posições refinadas no aplicativo EasySTEM para refinar posições de átomos com encaixe gaussiano 2D. O centro dos picos montados será traçado após a montagem. Aqui está um passo opcional:Refinar as posições atômicas usando o algoritmo MPFit.

Quando as intensidades das colunas atômicas adjacentes estiverem se sobrepondo umas às outras, clique no botão se sobrepõe mpFit no EasySTEM para refinar a posição atômica com algoritmo de montagem multi-pico gaussiano 2D. Finalmente salve os resultados clicando em salvar o botão de ponto de posição do átomo. O aplicativo solicitará ao usuário o local de salvação e o nome do arquivo.

Todos os resultados salvos estão incluídos na variável chamada atom_pos, no espaço de trabalho MATLAB. Dentro da variável atom_pos há um campo chamado posRefineM. As posições refinadas estão listadas nas colunas três e quatro e a indexação está listada nas colunas oito e nove.

A figura três mostra o exemplo dos resultados do rastreamento da posição do átomo. Uma imagem bruta da haste ADF de uma célula unitária do perovskite APO3 é mostrada na figura 3A e seu perfil de intensidade é plotado em 3D, na figura 3B. A Figura 3C mostra os resultados após a filtragem gaussiana ser aplicada à imagem STEM na figura 3A, e o perfil de intensidade é plotado na figura 3D.

As posições iniciais do átomo são indicadas pelos círculos amarelos na figura 3E. As posições atômicas são indexadas com base nos vetores da célula unitária são mostradas na figura 3F. Na figura 3G e 3H, as posições refinadas gaussianas 2D são indicadas como círculos vermelhos.

Por fim, a vantagem de aplicar o algoritmo MPFit nas intensidades sobrepostas é mostrada na figura 3I. Passo três: extração de informações físicas. Para demonstrar a extração de informações físicas, a imagem STEM do cristal de rutênio-2 de cálcio-3 é mostrada nas figuras 4A e 4B.

Seguindo o passo um e o segundo passo, as posições atômicas refinadas são determinadas e mostram na figura 4C. Além disso, utilizando o sistema de indexação, cada tipo de átomo pode ser identificado e usado para posterior processamento. Por exemplo, os átomos de cálcio no centro superior e na parte inferior da camada perovskite podem ser facilmente identificados e sua posição é apresentada com círculos preenchidos com cores diferentes, como mostrado na figura 4D.

Aqui está a demonstração de como medir o deslocamento atômico com base no índice celular da unidade. Os dados de imagem STEM do cristal de Cálcio Ruthenate são usados aqui, como exemplo. O deslocamento polar neste cristal pode ser visualizado em imagens stem ADF analisando o deslocamento de átomos de cálcio no centro da camada perovskite dupla.

Primeiro defina um centro de células da unidade. Aqui, a posição de referência para medir o deslocamento do cálcio central é definida como a posição média dos átomos de cálcio superior e inferior. Por favor, note que a fração de rede número 4 o cristal de Rutino de Cálcio nesta imagem é 10 na direção vertical e dois na direção horizontal, como mostrado aqui.

Usando o referido sistema de indexação, todos os átomos em cada unidade são indexados. Os dois tipos de átomos de cálcio na primeira camada são rotulados com 0 e 0,4. E os da segunda camada são rotulados com 0,5 e 0,9.

Segundo, encontre a posição do átomo deslocado. O átomo de contagem deslocado aqui é rotulado com 0,2 e 0,7 Terceiro, iterativamente encontrar as posições dos centros celulares da unidade de referência e átomos deslocados para todas as células unitárias completas na imagem. Por fim, calcule o vetor de deslocamento, com base nas posições medidas.

O código MATLAB relacionado que inclui iterativamente, encontrar as posições de certos átomos e medir o deslocamento está anexado nos materiais suplementares. Em seguida, quantifique a tensão da rede. No aplicativo EasySTEM, clique na cepa de cálculo com base no botão de posições atômicas sob a guia quantificar no canto superior esquerdo da interface.

O processo de cálculo detalhado envolve várias etapas e é elaborado no script manual. Existem vários métodos comuns para visualização de dados, incluindo mapas de linha, mapas vetoriais e mapas de cores, para exibir distância atômica, deslocamento atômico, tensão, e assim por diante. A implementação detalhada está incluída no texto do manuscrito e aqui estão alguns resultados representativos do exemplo anterior sobre o cristal de Cálcio Ruthenate.

A Figura 5A é um exemplo da implementação dos mapas vetoriais que mostram o deslocamento polar. As setas são coloridas com base na orientação. As paredes verticais de domínio de 90 graus são indicadas com setas azuis e uma parede de domínio horizontal de 180 graus é indicada com uma seta vermelha.

A Figura 5B é um exemplo da implementação de mapas coloridos mostrando as polarizações. As cores indicam a magnitude nas direções esquerda e direita. Reduzir os resultados de magnitude em uma cor desbotada A Figura 5C é um exemplo de implementação dos mapas de cores que mostram a tensão na direção horizontal.

A cor vermelha e azul indica o valor da tensão da tração e da tensão compressiva, respectivamente. Para demonstrar a precisão da medição, a figura 6A mostra a quantificação estatística da distância medida entre os sítios Perovskite A, apresentados como um histograma. O encaixe de distribuição normal é plotado e sobreposto como um traço vermelho da linha mostrando a média de 300,5 picometros, e o desvio padrão de 4,8 picometros.

A Figura 6B mostra a quantificação estatística da medição do ângulo vetorial da célula perovskite, apresentada como histograma. O encaixe de distribuição normal é traçado e mostra a média de 90,0 graus e um desvio padrão de 1,3 graus. A Figura 6C mostra a quantificação estatística da medição do deslocamento polar no cristal de Cálcio Ruthenate, apresentado como histograma.

O encaixe de distribuição normal é traçado e mostra a média de 25,6 picometros e um desvio padrão de 7,7 picometros. Após a análise, certifique-se de verificar novamente com seus dados brutos para ter certeza de que não há artefatos gerados pelo processamento de dados. Acredito que este procedimento, proposto aqui, terá uma ampla gama de aplicações, vendo o processamento de imagens de microscopia eletrônica, e ajudará os pesquisadores a categorizar e determinar as relações de propriedade estrutural.