Пикометрическое точное отслеживание положения атомов с помощью электронной микроскопии

Коррекция аберрации позволила нам подтолкнуть разрешение в усовершенствованные электронные микроскопы до уровня субангстрема, и это позволило нам разрешить отдельные атомы в кристалле. С этим прогрессом нам все еще не хватает программного обеспечения или передовых методов анализа данных, которые, как я знаю, являются большим барьером для многих ученых. Здесь мы представляем самостоятельно разработанное, бесплатное приложение MATLAB под названием EasySTEM, которое позволяет нам выполнять полную метрологию окрашенных изображений с атомным разрешением.

Это программный графический пользовательский интерфейс, который можно использовать простыми щелчками мыши, и нет необходимости писать специальные расширенные коды. Здесь, в этом уроке, мы сначала представляем советы по шумоподавлению после приобретения и коррекции дрейфа, а затем мы показываем, как точно количественно оценить положение колонки атома, количественно оценить деформацию решетки и искажения в кристалле, а также дефекты и интерфейсы. Затем мы покажем, как отделить перекрывающиеся столбцы атомов, что сложно во многих изображениях STEM, а также как отделить различные виды атомов с помощью алгоритмов смешивания блока 7, которые мы разработали и включили в программное обеспечение.

Вот блок-схема, показывающая общую процедуру количественного определения атомного положения. Протокол начинается с нескольких советов по получению хороших данных изображения. Во-первых, обеспечьте высокое качество образца ТЕА.

Старайтесь использовать окрашенные, чистые и неповрежденные образцы TEM для визуализации. Избегайте случайного заражения образца прикосновением во время обработки и загрузки образца. Во-вторых, очистите образец перед установкой.

Очистите образец с помощью плазменного очистителя, запекая пылесос или применяя пучок душа. Избегайте поврежденных или загрязненных участков, где находится визуализация. В-третьих, выровняйте микроскоп и настройте корректоры аберрации, чтобы максимально минимизировать коэффициенты аберрации.

Задайте разрешение, получив несколько изображений STEM на стандартном образце, чтобы подтвердить, что пространственное разрешение является достаточным. В-четвертых, во время визуализации наклоняйте образец до тех пор, пока оптическая ось не будет выровнена с определенной осью зоны кристалла. В-пятых, оптимизировать дозу электронов при минимизации повреждения электронным пучком и ограничить дрейф образца во время визуализации.

Цель здесь состоит в том, чтобы иметь более высокое отношение сигнал/шум, не вызывая повреждения луча или создавая артефакты изображения. Наконец, получите ИЗОБРАЖЕНИЯ STEM с различными направлениями сканирования. Обычно сначала получают одно сканирующее изображение, а затем берут второе из той же области сразу после поворота направления сканирования на 90 градусов.

Изображения должны быть сделаны с использованием того же условия визуализации, за исключением направлений сканирования. Целью этого шага является подача повернутых изображений в алгоритм коррекции дрейфа. Далее выполняют коррекцию дрейфа с помощью алгоритма нелинейной коррекции, подавая в алгоритм коррекции два или более изображений с разными направлениями сканирования.

Алгоритм вынесет дрейф с коррекцией STEM-изображений. Код MATLAB с открытым исходным кодом и подробное описание процесса можно найти в оригинальной статье, автором которого является Колин Офус. Здесь мы представляем бесплатное интерактивное приложение MATLAB под названием Easy-STEM с графическим пользовательским интерфейсом, чтобы помочь с анализом.

Интерфейс показан на рисунке со всеми шагами, обозначенными на соответствующих кнопках. Перед анализом загрузите STEM-изображение с коррекцией дрейфа, нажав кнопку загрузить файл изображения в левом верхнем углу. Затем вручную введите калибровочное значение в единицу пикометра на пиксель.

Следующим шагом является применение различных методов шумоподавления изображения. Связанные функции можно найти в левом нижнем углу интерфейса. Первая техника – это гауссовская фильтрация.

Есть ползунок для выбора количества ближайших интенсивностей пикселей для среднего значения. Переместите ползунок, и к изображению будет применен гауссовский фильтр. Второй – фильтрация Фурье.

Найдите вкладку под названием FFT в левом нижнем углу. Есть ползунок для ограничения пространственной частоты, чтобы уменьшить высокочастотный шум. Переместите ползунок, и фильтр Фурье будет применен к изображению.

Третья – деконволюция Ричардсона и Люси. Найдите вкладку под названием deconvolution в левом нижнем углу, где есть два поля ввода для итераций слепой деконволюции и деконволюции Ричардсона-Люси соответственно. измените значение и примените алгоритм деконволюции, нажав кнопку.

Шаг второй: поиск и уточнение положения атома. Соответствующие функции можно найти на правой боковой панели. Во-первых, найдите начальные положения атомов.

Определите минимальное расстояние в пикселях, изменив значение в поле ввода, определяющее расстояние между ближайшими двумя пиками. Затем нажмите кнопку найти начальную позицию, в приложении Easy-STEM Обратите внимание, почти неизбежно, есть дополнительные позиции или отсутствующие позиции с использованием этого простого алгоритма. Таким образом, в приложении Easy-STEM создается режим ручной коррекции для исправления начальных положений атомов.

Он позволяет использовать ввод курсора мыши для добавления или удаления начальных позиций Next индексирует начальные позиции атомов с помощью системы на основе вектора элементаной ячейки. Сначала определите точку начала изображения. В приложении Easy-STEM нажмите кнопку найти источник после нажатия кнопки, перетащите указатель на одну из начальных позиций атома, чтобы определить его как начало.

Во-вторых, определите векторы 2D-ячейки единицы you и v и фракции ячеек единицы. Обратите внимание, что дробь решетки, you и v, определяет значение дроби решетки вдоль вектора элементаной ячейки. Например, в перовскитной ячейке ABO3 единичная ячейка может быть разделена поровну на две половины вдоль двух перпендикулярных векторных направлений единичной ячейки.

Следовательно, вдоль каждого направления вектора ячейки есть две дроби. Таким образом, значения дробей ячейки единицы измерения составляют 2 и 2, для вас и v направлений соответственно. Нажмите кнопку найти u, v и перетащите указатель в конец ячеек устройства.

Определите значение дроби решетки, изменив значение в входных полях решетчатого ГРП вы и lat frac v. Затем нажмите кнопку расчета решетки, чтобы проиндексировать все атомы после получения начальных положений атомов и индексации атомов на изображении. Для достижения точности на субпиксельном уровне в анализе необходимо выполнить 2D-гауссовскую подгонку вокруг каждого атомного столбца.

Нажмите на уточненные позиции в приложении EasySTEM, чтобы уточнить положения атомов с помощью 2D-гауссовской подгонки. Центр установленных пиков будет нанесен после установки. Ниже приведен необязательный шаг:Уточнение атомарных позиций с помощью алгоритма MPFit.

Когда интенсивности соседних атомных столбцов перекрываются друг с другом, нажмите кнопку MPFit overlaps в EasySTEM, чтобы уточнить атомное положение с помощью 2D-алгоритма гауссовской многопиковой подгонки. Наконец, сохраните результаты, нажав кнопку сохранить положение атома. Приложение запросит у пользователя место сохранения и имя файла.

Все сохраненные результаты включаются в переменную atom_pos в рабочей области MATLAB. Внутри переменной atom_pos есть поле с именем posRefineM. Уточненные позиции перечислены в колонке три и четыре, а индексирование — в колонке восьмой и девятой.

На рисунке третьем показаны примеры результатов отслеживания положения атомов. Необработанное изображение ствола АПД единичной ячейки перовскита APO3 показано на рисунке 3A, а профиль его интенсивности построен в 3D, на рисунке 3B. На рисунке 3C показаны результаты после того, как гауссовская фильтрация применена к stem-изображению на рисунке 3A, а профиль интенсивности построен на рисунке 3D.

Начальные положения атомов обозначены желтыми кругами на рисунке 3E. Атомные позиции индексируются на основе векторов элементных ячеек, показанных на рисунке 3F. На рисунках 3G и 3H уточненные позиции 2D Гаусса обозначены красными кругами.

Наконец, преимущество применения алгоритма MPFit на перекрывающихся интенсивностях показано на рисунке 3I. Шаг третий: извлечение физической информации. Чтобы продемонстрировать извлечение физической информации, изображение приложения STEM кристалла рутената кальция-3 рутения-2-7 показано на рисунках 4A и 4B.

После первой и второй шагов определяются и отображаются положения очищенных атомов на рисунке 4C. Кроме того, используя систему индексации, каждый тип атома может быть идентифицирован и использован для дальнейшей обработки. Например, атомы кальция в верхнем центре и нижней части слоя перовскита могут быть легко идентифицированы, и их положение представлено кругами, заполненными различными цветами, как показано на рисунке 4D.

Вот демонстрация того, как измерить атомное смещение на основе индекса элементарной ячейки. В качестве примера здесь используются данные изображения STEM из кристалла рутената кальция. Полярное смещение в этом кристалле можно визуализировать на изображениях ADF STEM путем анализа смещения атомов кальция в центре двойного слоя перовскита.

Сначала определите центр ячейки единицы. Здесь опорное положение для измерения смещения центра кальция определяется как среднее положение верхних и нижних атомов кальция. Обратите внимание, что решетчатая фракция No 4 кристалла рутената кальция на этом изображении составляет 10 в вертикальном направлении и два в горизонтальном направлении, как показано здесь.

Используя вышеупомянутую систему индексации, индексируются все атомы в каждой ячейке единицы. Два типа атомов кальция в первом слое помечены 0 и 0,4. А те, что во втором слое, помечены 0,5 и 0,9.

Во-вторых, найдите положение смещенного атома. Смещенный счетный атом здесь помечен 0,2 и 0,7 Третий, итеративно найти положения ячеек эталонного блока и смещенных атомов для всех полных единичных ячеек на изображении. Наконец, рассчитайте вектор смещения, основываясь на измеренных позициях.

Соответствующий код MATLAB, который включает в себя итеративно нахождение положений определенных атомов и измерение смещения, прилагается к дополнительным материалам. Затем количественно оцените деформацию решетки. В приложении EasySTEM нажмите на кнопку расчета деформации на основе атомных позиций на вкладке количественной оценки в левом верхнем углу интерфейса.

Детальный процесс расчета включает в себя несколько этапов и разработан в ручном скрипте. Существует несколько распространенных методов визуализации данных, включая линейные карты, векторные карты и цветовые карты, для отображения атомного расстояния, атомного смещения, деформации и т. Д. Подробная реализация включена в текст рукописи, и вот некоторые репрезентативные результаты из предыдущего примера на кристалле рутената кальция.

Рисунок 5А является примером реализации векторных карт, показывающих полярное смещение. Стрелки раскрашиваются в зависимости от ориентации. Вертикальные 90-градусные доменные стены обозначены синими стрелками, а горизонтальная 180-градусная стена домена обозначена красной стрелкой.

Рисунок 5B является примером реализации цветовых карт, показывающих поляризации. Цвета обозначают величину в левом и правом направлениях. Уменьшение величины приводит к выцветаемости Рисунок 5С является примером реализации цветовых карт, показывающих деформацию в горизонтальном направлении.

Красный и синий цвета указывают на величину растягивающей деформации и деформации сжатия соответственно. Для демонстрации точности измерений на фиг.6А показана статистическая количественная оценка измеренного расстояния между перовскитными А-сайтами, представленная в виде гистограммы. Нормальная фитинг распределения нанесена на график и наложена в виде красной пунктирной линии, показывающей среднее значение 300,5 пикометров и стандартное отклонение 4,8 пикометра.

На рисунке 6B показана статистическая количественная оценка измерения угла вектора перовскитной ячейки, представленная в виде гистограммы. Нормальная подгонка распределения строится и показывает среднее значение 90,0 градусов и стандартное отклонение 1,3 градуса. На рисунке 6C показана статистическая количественная оценка измерения полярного смещения в кристалле рутената кальция, представленная в виде гистограммы.

Нормальная подгонка распределения строится и показывает среднее значение 25,6 пикометров и стандартное отклонение 7,7 пикометра. После анализа обязательно дважды проверьте свои необработанные данные, чтобы убедиться, что нет артефактов, генерируемых обработкой данных. Я считаю, что эта процедура, предложенная здесь, будет иметь широкий спектр применения, видя обработку изображений электронной микроскопией, и это поможет исследователям классифицировать и определять структурные отношения свойств.