यह काम परमाणु संकल्प संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी इमेजिंग में परमाणु स्थिति ट्रैकिंग के लिए एक कार्यप्रवाह प्रस्तुत करता है। यह वर्कफ्लो ओपन-सोर्स मैटलैब ऐप (ईज़ी-स्टेम) का उपयोग करके किया जाता है।
आधुनिक विपथन-सही स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसी-स्टेम) ने उप-अंगस्ट्रॉम संकल्प के साथ परमाणु स्तंभों के प्रत्यक्ष दृश्य को सफलतापूर्वक प्राप्त किया है। इस महत्वपूर्ण प्रगति के साथ, उन्नत छवि परिमाणीकरण और विश्लेषण अभी भी शुरुआती दौर में हैं। इस काम में, हम परमाणु संकल्प स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (स्टेम) छवियों की मेट्रोलॉजी के लिए पूरा मार्ग प्रस्तुत करते हैं । इसमें उच्च गुणवत्ता वाली स्टेम छवियों को प्राप्त करने के लिए (1) सुझाव शामिल हैं; (2) माप सटीकता बढ़ाने के लिए डेनोइसिंग और बहाव-सुधार; (3) प्रारंभिक परमाणु स्थिति प्राप्त करना; (4) यूनिट सेल वैक्टर के आधार पर परमाणुओं को अनुक्रमित करना; (5) थोड़ा अतिव्यापी परमाणु स्तंभों के लिए या तो 2D-गॉसियन एकल चोटी फिटिंग या (6) बहु-पीक फिटिंग दिनचर्या के साथ परमाणु स्तंभ पदों की मात्रा; (7) क्रिस्टल संरचनाओं के भीतर या दोषों/इंटरफेस पर जहां जाली आवधिकता बाधित होती है, जाली विरूपण/तनाव का मात्राकरण; और (8) विश्लेषण की कल्पना और प्रस्तुत करने के लिए कुछ सामान्य तरीके।
इसके अलावा, एक ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) के साथ एक सरल स्व-विकसित मुफ्त मैटलैब ऐप (ईज़ी-स्टेम) प्रस्तुत किया जाएगा। जीयूआई समर्पित विश्लेषण कोड या सॉफ्टवेयर लिखने की आवश्यकता के बिना स्टेम छवियों के विश्लेषण में सहायता कर सकता है। यहां प्रस्तुत उन्नत डेटा विश्लेषण विधियों को दोष छूट, स्थानीय संरचनात्मक विकृतियों, स्थानीय चरण परिवर्तनों और सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला में गैर-केंद्रीकरण के स्थानीय मात्राकरण के लिए लागू किया जा सकता है।
आधुनिक स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (स्टेम) में गोलाकार विचलन सुधार के विकास ने सूक्ष्मकॉपिस्टों को उप-अंगस्ट्रॉम आकार के इलेक्ट्रॉन बीम1,2के साथ क्रिस्टल की जांच करने में सक्षम बनाया है। इसने विभिन्न प्रकार के क्रिस्टलों में अलग – अलग परमाणु स्तंभों की इमेजिंग की अनुमति दी है जिसमें भारी और हल्के दोनों तत्वों के लिए व्याख्यायोग्य परमाणु संकल्प छवियांहैं 3,4. पिक्सेलयुक्त प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉन डिटेक्टरों और डेटा विश्लेषण एल्गोरिदम में हाल की घटनाओं ने चरण पुनर्निर्माण इमेजिंग तकनीकों को सक्षम किया है, जैसे कि ptychography, स्थानिक संकल्प में लगभग 30 बजे5,6,7तक और सुधार के साथ। इसके अतिरिक्त, स्टेम टोमोग्राफी में हाल ही में हुई प्रगति ने एकल नैनो-कण8के त्रि-आयामी परमाणु संकल्प पुनर्निर्माण को भी सक्षम बनाया है। इस प्रकार इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप उच्च परिशुद्धता और साइट-विशिष्टता दोनों के साथ सामग्री में संरचनात्मक गुणों की मात्रा निर्धारित करने के लिए एक असाधारण शक्तिशाली उपकरण बन गया है।
डेटा इनपुट के रूप में अल्ट्रा-हाई रिज़ॉल्यूशन स्टेम छवियों के साथ, परमाणु पैमाने9,10पर क्रिस्टल से भौतिक जानकारी निकालने के लिए संरचनात्मक विकृतियों के प्रत्यक्ष माप किए गए थे। उदाहरण के लिए,डब्ल्यूएस 2 मोनोलेयर में मो डॉपैंट और एक एस रिक्ति के बीच दोष युग्मन को सीधे परमाणु स्थितियों को मापकर और फिर अनुमानित बांड लंबाई11की गणना करके कल्पना की गई थी। इसके अलावा, क्रिस्टल इंटरफेस पर माप, जैसे मोनोलेयरडब्ल्यूएस 2में एकजुट अनाज की सीमाएं, स्थानीय परमाणु व्यवस्था12का प्रदर्शन कर सकती हैं। लिएनबीओ3 में फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन दीवारों पर किए गए अंतरफेशियल विश्लेषण से पता चला है कि डोमेन वॉल को इसिंग और नील राज्यों का संयोजनबताया गयाहै । एक अन्य उदाहरण एसआरटीआईओ 3 -पीबीटीआईओ3सुपरलैटिक्स में प्राप्त ध्रुवीय भंवरसंरचनाओं का दृश्य है, जो स्ट्रोंटियम और लीड कॉलम पदों14के संबंध में टाइटेनियम परमाणु स्तंभ विस्थापन की गणना के माध्यम से हासिल किया गया है। अंत में, कंप्यूटर विजन एल्गोरिदम में प्रगति, जैसे गैर-स्थानीय सिद्धांत घटक विश्लेषण15,रिचर्डसन और लुसी डिकोवोोल्यूशन16,गैर-रैखिक पंजीकरण17के साथ बहाव-सुधार, और डीप लर्निंग के साथ पैटर्न मान्यता के साथ, उप-पिकोमीटर सटीकता18के लिए माप की सटीकता को काफी मजबूत किया है। ऐसा ही एक उदाहरण सिग्नल-टू-शोर अनुपात को बढ़ाने के लिए कई फास्ट-स्कैन क्रायोजेनिक-स्टेम छवियों का संरेखण और छवि पंजीकरण है। इसके बाद, फोरियर-मास्किंग तकनीक को क्रिस्टल में चार्ज घनत्व तरंगों का विश्लेषण करने के लिए सीधे आवधिक जाली विरूपण19की कल्पना करके लागू किया गया था। हालांकि अविश्वसनीय विचलन-सही स्टेम इंस्ट्रूमेंटेशन दुनिया भर के शोधकर्ताओं के लिए तेजी से सुलभ है, उन्नत डेटा विश्लेषण प्रक्रियाओं और तरीकों असामान्य और डेटा विश्लेषण में अनुभव के बिना एक के लिए एक विशाल बाधा रहते हैं ।
वर्तमान कार्य में, हम परमाणु संकल्प स्टेम छवियों की मेट्रोलॉजी के लिए पूरा मार्ग प्रदर्शित करते हैं। इस प्रक्रिया में सबसे पहले एक विपथन-सही माइक्रोस्कोप के साथ स्टेम छवियों को प्राप्त करना शामिल है जिसके बाद उन्नत माप सटीकता के लिए अधिग्रहण के बाद की निंदा/बहाव-सुधार किया जाता है । इसके बाद हम परमाणु स्तंभों को20,21 से अधिक ओवरलैपिंग के लिए या तो 2डी-गॉसियन सिंगल पीक फिटिंग या मल्टी-पीक फिटिंग दिनचर्या के साथ परमाणु स्तंभ पदों को स्पष्ट रूप से हल करने और सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए मौजूदा तरीकों पर आगे चर्चाकरेंगे। अंत में, इस ट्यूटोरियल जाली विरूपण के मात्राकरण के लिए तरीकों पर चर्चा करेंगे/क्रिस्टल संरचनाओं के भीतर या दोषों/इंटरफेस पर जहां जाली आवधिकता बाधित है । हम एक ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) के साथ एक सरल स्व-विकसित मुफ्त मैटलैब ऐप (ईज़ी-स्टेम) भी पेश करेंगे जो समर्पित विश्लेषण कोड या सॉफ्टवेयर लिखने की आवश्यकता के बिना स्टेम छवियों के विश्लेषण में मदद कर सकता है। यहां प्रस्तुत उन्नत डेटा विश्लेषण विधियों को दोष छूट, स्थानीय संरचनात्मक विकृतियों, स्थानीय चरण परिवर्तनों और सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला में गैर-केंद्रीकरण के स्थानीय मात्राकरण के लिए लागू किया जा सकता है।
अधिग्रहण के बाद की प्रक्रिया पर काम करते समय, कुछ सावधानी भी बरतने की आवश्यकता है। छवि बहाव-सुधार के दौरान, शुरू करने के लिए, एल्गोरिदम यह मानता है कि 0 डिग्री छवि में क्षैतिज तेज स्कैनिंग दिशा है, इसलिए गणना से पहले दिशा को डबल-चेक करें। यदि स्कैनिंग दिशा सही ढंग से सेट नहीं है, तो बहाव-सुधार एल्गोरिदम विफल हो जाएगा औरआउटपुट 17में कलाकृतियों को भी पेश कर सकता है। फिर इमेजिंग डेनोइसिंग के दौरान, कुछ तरीके एक विरूपण साक्ष्य पेश कर सकते हैं; उदाहरण के लिए, फोरियर फ़िल्टरिंग रिक्ति साइटों पर एटम कॉलम कंट्रास्ट बना सकता है या छवियों में ठीक सुविधाओं को हटा सकता है, यदि स्थानिक संकल्प ठीक से सीमित नहीं है। नतीजतन, यह सत्यापित करना महत्वपूर्ण है कि क्या डेनोइस्ड छवियां मूल कच्चे इनपुट छवियों के समान हैं।
इसके बाद, स्थानीय अधिकतम/न्यूनतम के आधार पर प्रारंभिक परमाणु स्थितियों का निर्धारण करते समय, परमाणु स्तंभों के बीच अनावश्यक स्थिति पैदा करने से बचने के लिए चोटियों के बीच प्रतिबंध न्यूनतम दूरी को समायोजित करने का प्रयास करें । ये निरर्थक स्थिति एल्गोरिदम गलती से परमाणु स्तंभों के रूप में छवि में स्थानीय मैक्सिमा/मिनीमा को पहचानने के कारण उत्पन्न कलाकृतियों हैं । इसके अतिरिक्त, यदि छवि में विभिन्न परमाणु प्रजातियों (उदाहरण के लिए, डब्ल्यूएस2की एडीएफ-स्टेम छवियों में) के बीच बड़े अंतर हैं तो अधिकांश पदों को खोजने के लिए सीमा मूल्य को समायोजित कर सकते हैं। छवि में प्रारंभिक परमाणु पदों के अधिकांश प्राप्त करने के बाद, मैन्युअल रूप से लापता लोगों को जोड़ने या सर्वोत्तम प्रयास के साथ अतिरिक्त लोगों को हटाने की कोशिश करें। इसके अलावा, परमाणुओं के अनुक्रमण के लिए विधि सबसे प्रभावी है जब छवि के भीतर आवधिकताओं में बड़ी रुकावट नहीं होती है। जब छवि में प्रस्तुत अनाज की सीमाओं या चरण सीमाओं जैसे व्यवधान होते हैं, तो अनुक्रमण विफल हो सकता है। इस समस्या का समाधान छवि में रुचि के क्षेत्रों को परिभाषित करना है (ईज़ी-स्टेम ऐप में ब्याज बटन के परिभाषित क्षेत्र पर क्लिक करके), और फिर प्रत्येक क्षेत्र के भीतर की स्थितियों को अलग से अनुक्रमण और परिष्कृत करना। इसके बाद, कोई भी आसानी से एक ही छवि में विभिन्न क्षेत्रों के डेटासेट को डेटा के एक सेट में जोड़ सकता है और विश्लेषण पर काम कर सकता है।
अंत में, 2D-गॉसियन पीक फिटिंग लागू करने के बाद, परिष्कृत पदों को इनपुट छवि पर इंगित करें ताकि यह देखा जा सके कि परिष्कृत स्थितियां परमाणु स्तंभों से विचलित होती हैं या नहीं। एकल गॉसियन फिटिंग एल्गोरिदम द्वारा प्रदान की गई सटीकता अधिकांश स्टेम प्रयोगों में पर्याप्त है; हालांकि, अगर स्थिति पड़ोसी परमाणु से तीव्रता के कारण विचलित हो जाती है, तो आसन्न परमाणु स्तंभों21से तीव्रता को अलग करने के बजाय मल्टी-पीक फिटिंग (एमपीफिट) एल्गोरिदम का उपयोग करें । अन्यथा, यदि छवि गुणवत्ता के मुद्दे या विशिष्ट परमाणु स्तंभों से कम तीव्रता के कारण स्थिति विचलित हो जाती है, तो उस स्थान पर फिट स्थिति को त्यागने का सुझाव दिया जाता है।
परमाणु स्थिति माप के लिए कई मौजूदा और विशेष एल्गोरिदम हैं, उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन ऑक्टाहेड्रा पिकर सॉफ्टवेयर22,एटोमाप पायथन पैकेज23,और स्टेटस्टेम मैटलैब पैकेज24। हालांकि, इन एल्गोरिदम की कुछ पहलुओं में कुछ सीमाएं हैं। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन ऑक्टाहेड्रा बीनने के लिए स्टेम छवियों के इनपुट की आवश्यकता होती है ताकि केवल स्पष्ट रूप से हल किए गए परमाणु स्तंभ शामिल हो सके और इस प्रकार परमाणु स्तंभों के साथ छवियों में इस मुद्दे का समाधान करने में विफल रहा21तीव्रता ओवरलैपिंग । दूसरी ओर, हालांकि एटोप “डम्बल-जैसे” परमाणु स्तंभों की स्थितियों की गणना कर सकता है, लेकिन प्रक्रिया बहुत सरल नहीं है। इसके अतिरिक्त, स्टेटस्टेम ओवरलैपिंग तीव्रता की मात्रा निर्धारित करने के लिए एक महान एल्गोरिदम है, लेकिन इसकी पुनरावृत्ति मॉडल-आधारित फिटिंग प्रक्रिया गणनात्मक रूप से महंगीहै। इसके विपरीत, हमारे दृष्टिकोण, Matlab app EASY-STEM, जो उन्नत mpfit एल्गोरिथ्म के साथ एकीकृत है के साथ इस काम में शुरू की, अतिव्यापी तीव्रता की समस्या का समाधान कर सकते है और StatSTEM की तुलना में कम गणना महंगा है, जबकि प्रतिस्पर्धी माप परिशुद्धता की पेशकश की । इसके अलावा, एतोमाप और ऑक्सीजन ऑक्टाएड्रा पिकर सॉफ्टवेयर पैकेजों से विश्लेषण एबीओ3 पेरोवस्काइट क्रिस्टल से डेटा का विश्लेषण करने के लिए डिज़ाइन और विशिष्ट हैं, जबकि इस काम में दिखाया गया इंडेक्सिंग सिस्टम विभिन्न सामग्रियों प्रणालियों के बारे में अधिक लचीला है। इस काम में विधि के साथ, उपयोगकर्ता आउटपुट परिणामों के आधार पर अपने अद्वितीय सामग्री प्रणालियों के लिए डेटा विश्लेषण को पूरी तरह से डिजाइन और अनुकूलित कर सकते हैं जिसमें परिष्कृत परमाणु स्थिति और यूनिट सेल वेक्टर इंडेक्सिंग दोनों होते हैं।
चित्र 6:परमाणु स्थिति खोजने का सांख्यिकीय मात्राकरण। (क)एक हिस्टोग्राम में प्रस्तुत एक साइट दूरी के लिए पेरोवस्काइट ए-साइट का वितरण। सामान्य वितरण फिटिंग को लाल धराशायी रेखा के रूप में प्लॉट और मढ़ा जाता है जिसमें 300.5 बजे का मतलब और 4.8 बजे का मानक विचलन दिखाया जाता है।(ख)पेरोवस्काइट यूनिट सेल वेक्टर कोण माप के सांख्यिकीय मात्रा को हिस्टोग्राम के रूप में प्रस्तुत किया जाता है। सामान्य वितरण फिटिंग को लाल धराशायी रेखा के रूप में प्लॉट और मढ़ा जाता है जो 90.0 डिग्री का मतलब दिखाता है और 1.3 डिग्री का मानक विचलन होता है। (ग)सीए 3 आरयू2ओ7(सीआरओ) में ध्रुवीय विस्थापन माप का सांख्यिकीय परिमाणीकरण हिस्टोग्राम के रूप में प्रस्तुत किया जाता है । सामान्य वितरण फिटिंग की साजिश रची जाती है और लाल धराशायी रेखा के रूप में मढ़ा जाता है जिसमें 25.6 बजे का मतलब और 7.7 बजे का मानक विचलन दिखाया जाता है। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
यहां शुरू की गई विधि कार्यान्वयन के लिए पिकोमीटर-स्तर की सटीकता और सादगी प्रदान करती है। माप परिशुद्धता प्रदर्शित करने के लिए, परमाणु स्थिति खोज के सांख्यिकीय मात्रा चित्रा 6में प्रस्तुत किया जाता है । क्यूबिक एबीओ3 पेरोवस्काइट ए-साइट डिस्टेंस डिस्ट्रीब्यूशन और यूनिट सेल वेक्टर एंगल डिस्ट्रीब्यूशन के माप क्रमशः चित्रा 6ए और फिगर 6बी में हिस्टोग्राम का उपयोग करके प्लॉट किए जातेहैं। वितरण के लिए सामान्य वितरण वक्र फिटिंग करके, एक साइट दूरी वितरण 300.5 बजे का मतलब है और 4.8 बजे के मानक विचलन और इकाई सेल वेक्टर कोण वितरण 90.0 डिग्री और 1.3 डिग्री के मानक विचलन का मतलब दिखाता है। सांख्यिकीय मात्रा यहां प्रस्तावित विधि को इंगित करता है पिकोमीटर स्तर परिशुद्धता सक्षम बनाता है और इमेजिंग के दौरान बहाव के कारण विरूपण को बहुत कम कर सकता है। इस परिणाम से पता चलता है कि यह माप भरोसेमंद है जब भौतिक जानकारी को मापा जाना अधिक या लगभग 10 बजे के बराबर है । उदाहरण के लिए, उपरोक्त सीआरओ क्रिस्टल के मामले में, ध्रुवीय विस्थापन के परिमाण की माप चित्रा 6cमें प्रस्तुत की जाती है। माप २५.६ बजे का एक मतलब है, ७.७ बजे के एक मानक विचलन से पता चलता है, और यह पता चलता है कि सीआरओ स्टेम छवियों में ध्रुवीय विस्थापन माप ठोस है । इसके अतिरिक्त, बीम-संवेदनशील नमूनों को इमेजिंग करते समय कम सिग्नल-टू-शोर अनुपात जैसी प्रायोगिक सीमाओं के मामले में अधिक सावधानी बरतने की आवश्यकता है। उन मामलों में, मापा परमाणु पदों को माप की वैधता सुनिश्चित करने के लिए कच्चे छवियों के खिलाफ बारीकी से जांच की जरूरत है । नतीजतन, यहां शुरू की गई विश्लेषण विधि में हाल ही में और उन्नत एल्गोरिदम की तुलना में माप परिशुद्धता की सीमाएं हैं। उप-पिकोमीटर स्तर पर सटीकता की आवश्यकता होने पर हमारी विधि अपर्याप्त है, इसलिए यदि छवि में निकाली जाने वाली सुविधा एक निश्चित सीमा से नीचे है तो अधिक उन्नत विश्लेषण दिनचर्या आवश्यक है। उदाहरण के लिए, गैर-कठोर पंजीकरण एल्गोरिदम ने सिलिकॉन पर उप-पायोमीटर सटीक माप दिखाया है और यह एकल पीटी नैनोपार्टिकल25पर बॉन्ड लेंथ भिन्नता का सटीक माप सक्षम बनाता है। हाल ही में, डीप लर्निंग एल्गोरिदम को स्टेम इमेज डेटा की एक बड़ी मात्रा से 2-डी संक्रमण धातु डाइचलकोजेनाइड्स मोनोलेयर्स में विभिन्न प्रकार के बिंदु दोषों की पहचान करने के लिए नियोजित किया गया था। बाद में, माप विभिन्न प्रकार के दोषों की औसत छवि पर आयोजित किया गया था और इस विधि ने उन दोषों के आसपास विरूपण पर उप-पिकोमीटर स्तर परिशुद्धता का भी प्रदर्शन किया18। नतीजतन, विश्लेषण क्षमता बढ़ाने के लिए एक भविष्य की योजना के रूप में, हम गहरे सीखने जैसे अधिक उन्नत एल्गोरिदम को विकसित करने और लागू करने की प्रगति में हैं । हम उन्हें भविष्य के डेटा विश्लेषण टूल अपडेट में एकीकृत करने की भी कोशिश करेंगे।
The authors have nothing to disclose.
एल.M और एनए का काम पेन स्टेट सेंटर फॉर नैनोस्केल साइंसेज द्वारा समर्थित है, जो अनुदान संख्या डीएमआर-2011839 (2020 – 2026) के तहत एनएसएफ एमआरसेक है। D.M ORNL की प्रयोगशाला निर्देशित अनुसंधान और विकास (LDRD) कार्यक्रम है, जो यूटी-Batelle, LLC द्वारा प्रबंधित किया जाता है द्वारा समर्थित था, अमेरिका के ऊर्जा विभाग (डीओई) के लिए । ए.C और एनए वैज्ञानिक अनुसंधान (AFOSR) कार्यक्रम FA9550-18-1-0277 के रूप में के रूप में अच्छी तरह से खेल मुरली, 10059059-समर्थन के लिए पेन के वायु सेना कार्यालय स्वीकार करते हैं ।
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