BEACON -- Automated Aberration Correction for Scanning Transmission Electron Microscopy using Bayesian Optimization
本文提出BEACON方法，利用贝叶斯优化归一化图像方差，自动校正扫描透射电子显微镜的一阶和二阶像差，并在金纳米颗粒和二氧化铪薄膜上验证了其在纳米及原子尺度实验中的有效性。
2024-10-18 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Using Aberrations to Improve Dose-Efficient Tilt-corrected 4D-STEM Imaging
针对4D-STEM倾斜校正成像中高阶像差导致衬度传递函数受阻尼的问题，提出结合tcBF与tcDPC的acBF成像方法，实现信息极限内连续非零衬度传递，经模拟与实验验证性能更优。
2025-10-01 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Effect of a Physical Phase Plate on Contrast Transfer in an Aberration-Corrected Transmission Electron Microscope
在理论研究中，我们分析了弱相位物体在透射电子显微镜中的对比度传递，该透射电子显微镜在成像透镜系统中配备了像差校正器（Cs-校正器），在物镜的后焦平面中配备了物理相位板。对于由物理相位板引起的散射电子和未散射电子之间的π/2相移，正弦型相衬传递函数被转换为余弦型函数。如果由物镜散焦和透镜像差引起的相移等于零，则理论上可以实现最佳成像条件。实际上，由于残余像差和变化的非零局部散焦值，这种情况难以实现，这通常是由不均匀的样品表面形貌造成的。我们探索的条件-即范围的Cs值和散焦-最有利的对比度转移作为信息限制的函数，这是唯一的限制，在Cs校正的透射电子显微镜的电子波的部分相干性的影响。在高分辨率的操作条件下，我们发现，一个物理相位板提高了强烈的低和中等分辨率的对象对比度，同时提高容忍散焦和CS变化，相比没有相位板的显微镜。
2010-09-21 cond-mat.mtrl-sci
Glass tube cutting with aberration-corrected non-diffracting ultrashort laser pulses
本文报道了用超短脉冲激光分离曲面玻璃制品复杂的内外轮廓。使用加工光学器件实现沿着整个衬底的单程全厚度修改，该加工光学器件允许非衍射光束的光束成形，并且另外允许在弯曲界面处发生的相位畸变的像差补偿。通过热应力或选择性蚀刻最终分离的玻璃制品满足医疗行业在微碎片、表面质量和加工速度方面的要求。
2021-06-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Near-real-time diagnosis of electron optical phase aberrations in scanning transmission electron microscopy using an artificial neural network
在最先进的扫描透射电子显微镜中优化空间分辨率的关键是能够精确测量和校正探针形成透镜的电子光学像差。已经提出了具有最大精度和准确度的用于像差测量和校正的几种诊断方法，尽管通常以相对长的采集时间为代价。在这里，我们说明了如何使用人工智能来提供近实时的诊断畸变从个人Ronchigrams。由于显微镜条件可能快速变化，以及基于MEMS的硬件校正元件的操作（其固有稳定性低于传统电磁透镜），因此所展示的像差测量速度非常重要。
2022-04-23 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Determining On-Axis Crystal Thickness with Quantitative Position-Averaged Incoherent Bright-Field Signal in an Aberration-corrected STEM
样品厚度的准确测定对于定量分析电子显微镜是必不可少的。在这里，我们证明了位置平均的非相干明场信号记录在一个绝对的规模，可以用来确定的厚度的轴上晶体的精度为\pm 1.6 nm。该方法测量样品的结晶和非结晶部分（表面非晶层）。然而，它避免了系统误差所造成的表面等离子体的贡献的非弹性平均自由程厚度估计的电子能量损失谱。
2012-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
An $\textit{In Situ}$ Light Illumination System for an Aberration-Corrected Environmental Transmission Electron Microscope
在这项工作中，基于光纤的$\textit{in situ}$照明系统集成到像差校正的环境透射电子显微镜（ETEM）的设计，建造，表征和应用。利用这种照明系统，可以在原子水平上直接观察到光敏材料对光子的动态响应，并且还可以同时施加包括加热和各种气体在内的其他刺激。可以使用宽带光源或旨在加速光反应的高功率激光源，以满足不同的应用需求。光纤通过物镜孔径端口进入ETEM，其尖端具有精心设计的曲率和30°切口，以将发射光向上定向到TEM样品上。从宽带和激光源撞击样品的强度分布都被测量，并且由于不均匀的分布，已经开发了一个对准程序来将亮斑与TEM的电子光轴对准。实验证明，采用该照明系统后，ETEM的成像和光谱性能都得到了很好的保持。此外，朗缪尔蒸发时，观察到原位激光施加到GaAs，演示了合适的半导体材料上的光加热的现象。
2021-05-18 cond-mat.mtrl-sci
Design of Electrostatic Aberration Correctors for Scanning Transmission Electron Microscopy
在扫描透射电子显微镜（STEM）中，产生高分辨率图像通常需要电子束聚焦到可能的最小点。然而，用于聚焦光束的磁透镜是不完美的，引入了限制分辨率的像差。现代STEM通过使用由许多多极透镜组成的硬件像差校正器来克服这一点，但是这些设备复杂、昂贵并且可能难以调谐。我们演示了一种静电相位板的设计，可以作为像差校正器。校正器由环形段组成，每个环形段是独立的两端器件，可以向电子束的一部分施加恒定或斜坡相移。我们使用静电校正器的图像分辨率的改善。工程标准强加的探针形成孔径内的大部分光束被支撑杆阻挡，导致校正探针的大探针尾部，其对超出中央瓣的样品进行采样。我们还展示了如何使用该设备来创建其他STEM光束轮廓，如涡旋光束和具有高度相位多样性的光束，这提高了重叠关联重建中的信息传输。
2023-03-16 cond-mat.mtrl-sci
In Situ Study of the Impact of Aberration-Corrected Electron-Beam Lithography on the Electronic Transport of Suspended Graphene Devices
在200 keV扫描透射电子显微镜（STEM）中实现像差校正电子束光刻（AC-EBL）是一种新的技术，可用于基于具有单个纳米临界尺寸的二维原子晶体的量子器件的制造，允许观察更鲁棒的量子效应。在这项工作中，我们研究了使用AC-EBL的悬浮石墨烯场效应晶体管的纳米结构的电子束雕刻，专注于电子束曝光对器件电子输运质量的影响的原位表征。当在石墨烯沟道上（局部曝光）或在石墨烯沟道的外部附近（非局部曝光）执行AC-EBL时，石墨烯的电荷传输特性可能由于电荷掺杂和散射而受到显著影响。虽然非局部暴露的有害影响可以通过剧烈退火在很大程度上去除，但局部暴露引起的损伤是不可逆的，并且不能通过退火来修复。我们讨论了所观察到的曝光效应的可能原因。我们的研究结果为高能电子束光刻技术在纳米材料器件制造中的未来发展提供了指导。
2020-04-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
E-beam manipulation of Si atoms on graphene edges with aberration-corrected STEM
原子级材料控制的新兴领域为量子和忆阻器件制造以及原子尺度化学的基础研究的未来突破提供了巨大的希望。实现原子对物质的控制是一个复杂而持续的挑战。在这里，我们探讨了可控运动的掺杂硅原子在石墨烯的边缘通过亚原子聚焦电子束在扫描透射电子显微镜（STEM）的可行性。我们证明了石墨烯边缘可以被清除Si原子，然后随后从附近的源材料中补充。还示出了Si边缘原子如何可以从小孔的边缘被推到石墨烯晶格的主体中以及从晶格的主体回到边缘。这通过溅射石墨烯晶格的边缘以掩埋或暴露Si掺杂剂原子来实现。这些实验形成了迈向一般原子尺度材料控制的第一步。
2017-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Extended Depth of Field for High Resolution Scanning Transmission Electron Microscopy
像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）提供亚埃的横向分辨率;然而，大的会聚角大大降低了景深。对于具有小景深的显微镜，焦平面之外的信息很快变得模糊且不太明确。可能无法完全聚焦成像某些样本。然而，扩展的景深技术允许从聚焦在一定深度范围的一系列图像中提取所有区域都聚焦的单个图像。近年来，各种算法方法已被用于明场光学显微镜。在这里，我们证明了一些已建立的光学显微镜方法也可以应用于扩展100 kV 5阶像差校正STEM（alpha_max = 33 mrad）的~6 nm焦深，以对厚硫化碳载体上的Pt-Co纳米颗粒进行成像。这些技术使我们能够自动获得一个单一的图像，所有的颗粒在焦点以及一个互补的地形图。
2010-10-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Factors limiting quantitative phase retrieval in atomic-resolution differential phase contrast scanning transmission electron microscopy using a segmented detector
在原子分辨率扫描透射电子显微镜中使用分段检测器的材料的定量微分相衬成像受到各种因素的限制，包括相干和非相干像差、检测器定位和均匀性以及扫描失真。通过比较单层和少层石墨烯的实验案例研究与图像模拟，我们探索哪些参数需要最精确的表征，以可靠和定量地解释重建的相位。相干和非相干透镜像差被发现有最显着的影响。对于大视场上的图像，噪声和非周期性边界条件的影响是明显的，但在这种情况下，研究的影响小于光束偏转耦合到光束扫描（不完美的倾斜偏移纯度）所引入的伪影。
2021-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Materials Structure, Properties and Dynamics through Scanning Transmission Electron Microscopy
扫描透射电子显微镜（STEM）在过去的十年中发展迅速，这要归功于它能够校正探头形成透镜的主要像差。现在，原子大小的光束是常规的，即使在加速电压低至40千伏，使撞击损伤最小化的光束敏感材料。像差校正探头可以包含足够的电流，用于在多种模式下进行高质量、同步成像和分析。原子位置可以以皮米精度绘制，揭示铁电畴结构，组成可以通过能量色散X射线光谱（EDX）和电子能量损失光谱（EELS）绘制，并且电荷转移可以使用EELS精细结构逐单元电池地跟踪。此外，点缺陷的动态可以通过快速采集多个图像扫描来研究。今天，STEM已成为原子水平分析科学不可或缺的工具，为控制材料特性的复杂相互作用提供了全新的见解。
2019-08-20 cond-mat.mtrl-sci
Numerical correction of anti-symmetric aberrations in single HRTEM images of weakly scattering 2D-objects
在这里，我们提出了一种数值后处理方法，用于消除弱散射二维物体的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像中反对称剩余像差的影响。该方法基于将具有相反相位的相同像差应用于所记录的图像强度的傅里叶变换，并且随后反转傅里叶变换。我们提出的理论依据的方法和它的验证的基础上模拟图像的情况下，低阶反对称像差。最终，该方法被应用到实验硬件像差校正的HRTEM图像的单层石墨烯和MoSe 2产生的图像具有强烈降低的残余低阶像差，从而提高了可解释性。或者，这种方法可以用来估计通过试验和错误的残余反对称像差的HRTEM图像的弱散射对象。
2015-01-16 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Towards Self-Optimizing Electron Microscope: Robust Tuning of Aberration Coefficients via Physics-Aware Multi-Objective Bayesian Optimization
University of Tennessee（田纳西大学）
本文提出多目标贝叶斯优化框架，通过物理感知的奖励函数实现鲁棒的像差校正，使显微镜具备自优化能力。
2026-01-26 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Quantitative High-Resolution Transmission Electron Microscopy of Single Atoms
单原子可以被认为是电子显微镜的基本对象，以测试显微镜的性能和图像对比度建模的基本概念。在这项工作中，高分辨率透射电子显微镜应用于图像单个铂原子在像差校正的透射电子显微镜。原子沉积在自组装单层基底上，其仅引起可忽略的对比度。基于Weickenmeier-Kohl和Doyle-Turner散射因子进行了单原子对比度模拟。实验和模拟强度在绝对尺度上完全一致。
2011-09-20 cond-mat.mtrl-sci
An alternative method of image simulation in high resolution transmission electron microscopy
在对现有的高分辨透射电子显微镜图像模拟方法进行比较分析的基础上，提出了一种新的高分辨透射电子显微镜图像模拟方法。另一种方法是基于考虑原子中心的静电干涉仪类似于传统的离轴电子双棱镜在几个纳米的焦点变化。将模拟结果与在三阶球面像差（Cs）= -35微米和散焦= 1、4和8 nm的最佳组合下记录的2D材料MoS 2、BN的实验图像进行比较，发现两者吻合良好。
2021-03-27 cond-mat.mtrl-sci
TopoTEM: A Python Package for Quantifying and Visualising Scanning Transmission Electron Microscopy Data of Polar Topologies
多铁性材料中极性拓扑结构的奇异内部结构为材料科学的研究提供了丰富的景观。由于这些实体的空间尺度通常是亚原子性质，像差校正透射电子显微镜（TEM）是理想的表征技术。由于现在常规采集这种分辨率的图像，因此用于量化和可视化单位单元内原子位置的轻微变化的软件至关重要。在像差校正TEM商业化以来的过去十年中，许多研究小组已经编写了自己的代码来可视化这些极性实体。最近，为了TEM原子位置量化的目的，已经开发了开放访问的Python包。在这些包的基础上，我们介绍了TEMUL工具包：一个用于分析和可视化原子分辨率图像的Python包。在这里，我们特别关注工具包的TopoTEM模块，在那里我们展示了一个易于遵循的简化版本，用于计算原子相对于周围晶格的位移，从而绘制偏振图。我们希望这个工具包将有利于快速扩展的基于拓扑结构的纳米电子和量子材料研究领域，我们邀请电子显微镜社区为这个开放获取项目做出贡献。
2021-09-30 cond-mat.mtrl-sci physics.data-an
Optimized conditions for direct imaging of bonding charge density in electron microscopy
我们报告价键效应的可观察性在像差校正的高分辨电子显微镜（HREM）图像沿[010]投影的矿物镁橄榄石（Mg 2SiO 4）。我们还进行了出射波disparations使用模拟的噪声图像，并已确定，无论是个别图像的强度和恢复复杂的出射波的模量是最敏感的键合效应在25%的水平为20-25 nm的中等厚度的样品。这种相对较大的厚度是由于1 s态的部分去沟道所引起的键合对比度的动态放大。
2010-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Deep Learning Enabled Nanoscale X-ray Photoemission Electron Microscopy (nanoXPEEM)
Machine Learning Initiative, SLAC National Accelerator Laboratory（机器学习倡议，斯坦福直线加速器中心）；Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory（线性相干光源，斯坦福直线加速器中心）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）
本文提出基于深度学习的nanoXPEEM技术，通过自动校正像差实现纳米级分辨率，提升二维材料表征能力。
2025-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Voids and Mn-rich inclusions in a (Ga,Mn)As ferromagnetic semiconductor investigated by transmission electron microscopy
空隙相邻的立方（ZnS型）和六方（NiAs型）Mn丰富的纳米晶体的特征在于使用像差校正的透射电子显微镜退火Ga 0.995Mn 0.005 As磁性半导体样品的分子束外延生长。纳米束电子衍射测量表明，纳米晶体的晶格参数表现出偏离散装锰砷。原位退火内的电子显微镜是用来研究成核，聚结，和晶粒生长的个别纳米晶体。在903 K退火后，样品的磁转变温度可能是由立方铁磁纳米晶体的存在下占主导地位。
2011-01-08 cond-mat.mtrl-sci
Cryogen-free low-temperature photoemission electron microscopy for high-resolution nondestructive imaging of electronic phases
开发了无制冷剂低温光发射电子显微镜（CFLT-PEEM），在21.1 K下实现4.48 nm分辨率，能直接观察原子台阶表面态分布，为低温电子相变提供快速无损高分辨成像工具。
2025-03-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Lossless monochromation for electron microscopy with pulsed photoemission sources and rf cavities
共振射频腔在与激光驱动的光电发射同步时能够精确地控制电子束的时间-能量。我们提出了一个无损的单色器设计，利用这种精细的控制在一个电子每脉冲制度。理论上可达到的最大束流目标是数量级大于国家的最先进的单色器相同的空间和能量分辨率。这种改进是时域单色化的结果，不受电子源横向亮度的限制。我们分析和确认数值腔参数选择，以尽量减少能量扩散执行的附加功能撤销的上游光学系统中的色差的明显影响。我们认为，我们的设计有显着的应用在超快和非时间分辨显微镜，提供足够小的尺寸和足够高的重复率的激光源的光电子源。我们的设计在模拟中实现了超过两个数量级的减少束能量扩散，下降到个位数毫电子伏。克服色差施加的最小探针尺寸限制，我们的设计清除了一条路径，高电流，高分辨率的电子束应用在初级能量从单一到数百千电子伏。
2021-01-05 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph physics.ins-det
Visualizing quantum phenomena at complex oxide interfaces: an atomic view from scanning transmission electron microscopy
复杂氧化物界面是凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。在过去的十年中，像差校正扫描透射电子显微镜和光谱学已被证明是非常宝贵的可视化和理解新兴的量子现象在接口。本文综述了近年来电子显微镜在界面探测方面的研究进展。具体来说，我们讨论了几个重要的挑战，电子显微镜，以提高我们对界面现象的理解，从变温，磁性，电子能量损失谱分析，电子对称性和缺陷探测的角度。
2021-04-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
In situ atomic force microscopy depth-corrected 3-dimensional focused ion beam based time-of-flight secondary ion mass spectroscopy: spatial resolution, surface roughness, oxidation
原子力显微镜（AFM）是一种用于研究表面粗糙度和收集关于样品顶部原子层特征的深度信息的公知工具。通过将二次离子质谱（SIMS）与扫描电子显微镜（SEM）中的聚焦离子束（FIB）铣削相结合，可以可视化溅射结构的化学信息并以高的横向和深度分辨率定位。在本文中，一个高真空（HV）兼容的原子力显微镜已安装在TESCAN FIB扫描电镜仪器，配备了飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）检测器。为了研究由ToF-SIMS溅射引起的凹坑的深度，随后在多层垂直腔面发射激光器（VCSEL）样品上进行AFM测量。表面粗糙度和铣削深度用于辅助溅射体积的化学组成的精确3D重建。分析了溅射过程中的分辨率、表面粗糙度和表面氧化问题。因此，互补检测器的集成开启了确定样品特性以及理解分析方法在分析期间对样品表面的影响的能力。
2020-03-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Emittance Minimization for Aberration Correction II: Physics-informed Bayesian Optimization of an Electron Microscope
本研究提出基于物理信息的贝叶斯优化方法，通过最小化束流发射度自动校正电子显微镜像差，实验证明该方法比传统方法收敛更快、光学状态更优。
2025-01-24 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph physics.ins-det
A Local Probe Mass Spectrometer for Localized and Sensitive Product Detection in Environmental Electron Microscopy
University of Göttingen（哥廷根大学）；University of Duisburg-Essen（杜伊斯堡-埃森大学）
本研究开发了一种集成像差校正环境透射电镜的局部探针质谱仪，通过移除MEMS芯片的SiN膜并使用微毛细管局部采样反应产物，实现了原子级分辨率成像与产物检测的同步，为定量结构-反应性关联奠定基础。
2026-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Breaking the Crowther Limit: Combining Depth-Sectioning and Tilt Tomography for High-Resolution, Wide-Field 3D Reconstructions
到目前为止，三维（3D）扩展对象的高分辨率（< 1 nm）成像还不可能。被称为Crowther标准的限制迫使通过断层扫描进行3D重建的对象大小和分辨率之间的权衡。此外，像差校正电子显微镜的亚埃分辨率伴随着景深的极大减小，导致较大样本（> 6 nm）的区域看起来模糊或缺失。在这里，我们展示了一种三维成像方法，克服了这两个限制相结合，通过焦点深度切片和传统的倾斜系列断层扫描重建扩展对象，高分辨率，在所有三个维度。像差校正仪器中的大会聚角现在变成了一个优点，而不是更高质量重建的障碍。在含有超过一百个去合金化和纳米多孔PtCu催化剂颗粒的390 nm 3D碳载体上的穿透焦点重建以亚纳米细节揭示了由去合金化不稳定性产生的广泛和连接的内部孔结构。
2014-01-31 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Amplitude Contrast Imaging in High-Resolution Transmission Electron Microscopy of Ferroelectric Superlattice Film
迄今为止，高分辨率电子显微镜在很大程度上依赖于使用出射表面处的出射波函数的相位来形成高分辨率电子显微镜图像。我们首次使用色差校正来实现一种新的成像模式，以实现高分辨率电子显微镜中的振幅衬度成像，使我们能够获得直接可解释的高分辨率电子显微镜图像，区分轻和重原子柱。使用这种成像方法，我们已经成功地可视化的原子结构在BaTiO 3/CaTiO 3超晶格与高空间精度和歧视之间的Ba和Ca列，提供直接可视化的Ca和Ba相关的氧八面体倾斜，控制铁电行为在这些超晶格结构。此外，这种方法提供了新的机会来解开各种材料的结构，特别是基于特定结构排列的具有奇异行为的复杂氧化物。
2014-08-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Proposal for a three-dimensional magnetic measurement method with nanometer-scale depth resolution
提出了一种基于深度切片和电子磁圆二色性相结合的扫描透射电子显微镜磁性测量方法。大会聚角的电子涡旋束在现有的像差校正器中可以获得2~nm的原子横向分辨和深度分辨。
2018-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Leveraging generative adversarial networks to create realistic scanning transmission electron microscopy images
University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文提出利用带倒易空间判别器的CycleGAN增强模拟电镜数据，训练全卷积网络在450万原子数据集中识别单原子缺陷，实现动态实验条件下低干预的自主显微数据分析。
2023-05-29 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.comp-ph
