Imaging and structure analysis of ferroelectric domains, domain walls, and vortices by scanning electron diffraction
本研究利用扫描电子衍射结合定制卷积自编码器，在铁电材料Er(Mn,Ti)O$_3$中实现了对畴、畴壁和涡旋的极性畸变的高统计显著性区分与定量测量。
2023-05-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Lattice strain measurement of core@shell electrocatalysts with 4D-STEM nanobeam electron diffraction
应变工程使得能够直接修改原子键合，并且目前是旨在改善电催化活性的活跃研究领域。然而，直接测量单个催化剂纳米颗粒的晶格应变是具有挑战性的，特别是在单个晶胞的尺度下。在这里，我们定量映射应变存在于铑@铂（核@壳）纳米立方体电催化剂使用传统的像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）和最近开发的4D-STEM纳米束电子衍射技术。我们证明，4D-STEM与数据预处理相结合，允许定量晶格应变映射与亚皮米精度没有扫描失真的影响。当与多变量曲线分辨率相结合时，4D-STEM允许我们区分纳米立方体核与壳，并将晶胞尺寸量化为与核-壳界面距离的函数。我们的研究结果表明，4D-STEM在催化剂材料的应变计量方面具有显着的精度和准确度优势，与像差校正的STEM成像相比，有利于提取有关催化剂纳米颗粒中应变演变的信息。
2020-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Electron diffraction based techniques in scanning electron microscopy of bulk materials
综述了基于扫描电子显微镜衍射的电子沟道花样（ECP）、电子沟道衬度成像（ECCI）和电子背散射衍射（EBSD）三种技术。动态衍射理论被用来描述电子沟道的物理过程，因此在位错的ECP（和EBSD）和ECCI图像中观察到的对比度。计算沟道对比度的模型进行了描述和讨论其局限性。给出了实验方法的实用性，包括探测器-样品配置、空间分辨率和灵敏度。例子给出了使用ECCI的成像和表征晶格缺陷，单独和组，在半导体异质结构和疲劳金属。给出了EBSD技术在取向确定、相识别和应变测量中的应用，并与使用电子等离子体进行了比较。它的结论是，这些技术使SEM的一个强大的工具，在介观尺度上表征局部晶体的散装材料。
2019-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Investigation of the orientation relationship between nano-sized G-phase precipitates and austenite with scanning nano-beam electron diffraction using a pixelated detector
采用扫描纳米束电子衍射技术研究了奥氏体基体中纳米尺寸的辐照诱导G相（M $_6$ Ni $_{16}$ Si $_{7}$）析出物的取向关系。利用该探测器，可以同时分辨出由小G相颗粒产生的微弱衍射斑点和强烈的基体反射。使用两阶段模板匹配方案分析衍射图案，其中在减去对衍射图案的基质贡献之后，首先对基质进行索引，其次对沉淀物进行索引。结果表明，G相相对于奥氏体具有面心立方（FCC）向体心立方（BCC）转变的取向关系。这项工作表明，纳米束电子衍射与像素化检测器是一种很有前途的技术，以调查在其他材料系统中的纳米尺寸的沉淀物与复杂的晶体结构的取向关系相对容易。
2021-04-16 cond-mat.mtrl-sci
Unveiling the interaction mechanisms of electron and X-ray radiation with halide perovskite semiconductors using scanning nano-probe diffraction
高能电子和X射线光子与卤化物钙钛矿等软半导体的相互作用对于表征和理解这些光电材料至关重要。使用纳米探针衍射技术，可以研究纳米尺度上的物理特性，我们用最先进的技术研究了电子和X射线辐射的相互作用（FA $_{0.79}$ MA $_{0.16}$ Cs $_{0.05}$）铅（I $_{0.83}$ Br $_{0.17}$）$_3$混合卤化物钙钛矿膜（FA，甲脒; MA，甲基铵）。我们使用扫描电子衍射和同步辐射纳米X射线衍射技术跟踪局部晶体结构的变化作为注量的函数。我们确定钙钛矿晶粒，从额外的反射，对应于PbBr $_2$，出现作为一个结晶降解相后，~200 e $^-$的能量密度的$^{-2}$。这些变化是伴随着小的PbI $_2$微晶在相邻的高角度晶界的形成，与针孔的形成，并与从四元到立方的相变。在纳米X射线衍射中，光子辐照引起了类似的降解途径，表明了共同的潜在机制。我们的方法探讨了这些材料的辐射限制，并提供了纳米级的降解途径的描述。解决大角度晶界对于进一步提高卤化物多晶薄膜的稳定性至关重要，特别是对于易受高能辐射影响的应用，如空间光电子学。
2022-01-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Sequential tilting 4D-STEM for improved momentum-resolved STEM field mapping
本文提出一种顺序倾斜4D-STEM方法，通过记录不同倾斜下的完整衍射图样并生成vLACBED图样，无需硬件修改即可提升MRSTEM场映射质量，并适用于其他4D-STEM应用。
2025-05-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
Automated crystal orientation mapping by precession electron diffraction assisted four-dimensional scanning transmission electron microscopy (4D-STEM) using a scintillator based CMOS detector
电子敏感和像素化探测器的最新发展吸引了四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）的使用。在这里，我们提出了一个进动电子衍射辅助4D-STEM技术的自动取向映射使用衍射斑点图案直接捕获的柱闪烁体的互补金属氧化物半导体（CMOS）检测器。我们比较的结果到一个传统的方法，它利用一个外部CCD摄像机拍摄的荧光屏。探测器的高动态范围和信噪比特性大大提高了衍射图案的图像质量，特别是在高散射角下衍射斑点的可见性。在通过模板匹配过程重建的方向图中，与传统方法相比，CMOS数据产生了显着减少的错误索引和更高的可靠性。也可以通过掩蔽接近直接光束的反射来提高取向差测量的角分辨率。这是因为在高散射角下取向敏感的、弱的和小的衍射斑点更显著。结果表明，精细的细节，如纳米晶粒，纳米孪晶和亚晶界可以解决与亚度角分辨率，这是可比的取向映射使用菊池衍射图案。
2021-03-05 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Nanoscale mapping of the full strain tensor, rotation and composition in partially relaxed In$_x$Ga$_{1-x}$N layers by scanning X-ray diffraction microscopy
应变和成分在半导体物理学中起着基础性的作用，因为它们是调整材料的电子和光学性质的手段，从而开发新器件。如今，以非破坏性的方式测量外延系统中的应变仍然是一个挑战，这在经常受到强烈应力的应变工程器件中变得特别重要。在这项工作中，我们展示了一个微观映射的应变和晶格取向的全张量通过扫描X射线衍射显微镜。我们开发了一种形式主义，以提取所有组件的应变和取向从一组扫描衍射测量和应用该技术的图案化的在$_x$镓$_{1-x}$ N双层研究应变弛豫和铟掺入现象。由于不同的铟含量和线程位错的贡献进行了分离和分析。
2022-03-28 cond-mat.mtrl-sci
Scanning X-ray Diffraction Microscopy for Diamond Quantum Sensing
理解CVD金刚石中纳米和微米尺度的晶体应变对于金刚石量子技术的进步至关重要。特别是，这种应变的存在及其表征对基于金刚石的量子传感和信息应用以及未来的暗物质探测器提出了挑战，其中入射粒子的方向信息被编码在晶体应变中。在这里，我们利用纳米聚焦扫描X射线衍射显微镜定量测量晶体变形的缺陷，在金刚石具有高的空间和应变分辨率。结合来自多个布拉格角的信息，允许立体三维建模的应变特征的几何形状;衍射结果通过比较验证的应变张量的光学测量的基础上自旋状态相关的光谱系综的氮空位（NV）中心的金刚石。我们的研究结果表明，应变和空间分辨率足以通过X射线测量晶体应变的暗物质的定向检测，并提供了一个有前途的工具，金刚石生长分析和改进的缺陷为基础的传感。
2022-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Scanning electron diffraction tomography of strain
应变工程用于在一系列现代技术中获得所需的材料特性。然而，由于缺乏合适的实验技术和数据分析工具，这些材料内的三维应变张量场的直接纳米级测量受到限制。扫描电子衍射已成为一个强大的工具，用于获得二维地图的应变分量垂直于入射电子束方向。这种方法的扩展，以恢复完整的三维应变张量场已受到限制，虽然没有一个正式的框架，张量层析成像使用这样的数据。在这里，我们表明，它是可能的，以重建完整的非对称应变张量场作为解决不适定张量层析成像逆问题。然后，我们证明了这个层析成像问题的分析和计算的属性，突出为什么将进动进行扫描进动电子衍射可能是重要的。我们建立了一个非对称张量层析成像的一般框架，并通过计算证明了其适用性，实现应变层析成像与扫描进动电子衍射数据。
2020-11-10 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
The Exit-Wave Power-Cepstrum Transform for Scanning Nanobeam Electron Diffraction: Robust Strain Mapping at Subnanometer Resolution and Subpicometer Precision
扫描纳米束电子衍射（NBED）与快速像素化检测器是一种有价值的技术，快速，空间分辨映射的晶格结构在很宽的长度尺度。然而，由动态衍射和样品混合物引起的强度变化会阻碍定量所需的衍射盘中心的测量。需要强大的数据处理技术来为复杂样品和非理想条件提供准确和精确的测量。在这里，我们提出了一种方法来解决这些挑战，使用变换，称为出口波功率倒谱（EWPC），在音频信号处理中的倒谱分析的启发。EWPC将NBED图案转换为具有对应于原子间间距的尖峰的实空间图案。我们描述了一个简单的分析模型解释这些图案，干净地从NBED图案的倾斜和厚度引起的强度变化的晶格信息。通过跟踪EWPC图案中的原子间间距峰，应变映射证明了两个实际应用：映射的铁电畴在外延应变PbTiO 3膜和映射的应变分布在任意取向的核-壳Pt-Co纳米粒子燃料电池催化剂。EWPC变换使得能够以亚微米精度和亚纳米分辨率进行晶格结构测量，这对于小样品的倾斜和随机取向是鲁棒的。
2020-10-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
py4DSTEM: a software package for multimodal analysis of four-dimensional scanning transmission electron microscopy datasets
扫描透射电子显微镜（STEM）允许在从微米到原子的长度尺度上对材料进行成像、衍射和光谱分析。通过使用高速直接电子检测器，现在可以在每个探头位置处记录衍射电子束的完整2D图像，通常是探头位置的2D网格。这些4D-STEM数据集包含丰富的信息，包括局部结构、方向、变形、电磁场和其他样本相关属性的签名。然而，提取这些信息需要复杂的分析流程，从数据处理到校准，再到分析，再到可视化，同时还要保持对成像失真和伪影的鲁棒性。在本文中，我们介绍了py 4DSTEM，一个用于测量4D-STEM数据集的材料属性的分析工具包，用Python语言编写，并以开源许可证发布。我们详细描述了数据集校准和各种4D-STEM属性测量的算法步骤，并给出了几个实验数据集的结果。我们还在py 4DSTEM中实现了一种适用于电子显微镜数据的简单通用文件格式，该格式使用开源HDF 5标准。我们希望这个工具将有利于研究社区，有助于推动电子显微镜数据和计算方法的发展标准，并邀请社区为这个正在进行的完全开源项目做出贡献。
2020-03-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Intragranular Strain Estimation in Far-Field Scanning X-ray Diffraction using a Gaussian Processes
提出并评价了一种基于扫描三维X射线衍射数据（scanning-3DXRD）估算多晶材料晶内应变场的新方法。在已知各向异性柔度的情况下，回归方法可以使线弹性应变场重建中的线动量和角动量保持平衡。通过使用高斯过程（GP），所提出的方法可以产生重建应变场的不确定性的空间估计。此外，可以通过超参数估计相对于测量来优化对空间平滑度的约束。这三个特征解决了针对先前现有的扫描3DXRD重建方法所讨论的弱点，并且因此提供了更鲁棒的应变场估计。该方法是双重验证，首先通过重建合成衍射数据，其次，通过重建以前研究的锡（Sn）颗粒嵌入在多晶试样。最近提出的代数反演技术实现重建的比较。结果发现，GP回归始终产生较低的均方根误差，平均绝对误差和最大绝对误差在所有六个组件的应变重建。
2021-06-15 cond-mat.mtrl-sci physics.data-an
Interpretable and efficient contrast in scanning transmission electron microscopy with a diffraction grating beamsplitter
生物分子、二维材料和电磁场的有效成像取决于透射电子相位的恢复。我们展示了一种方法来测量相位扫描透射电子显微镜使用纳米制造的衍射光栅，以产生多个探测光束。测量的相位比没有离轴参考波的相衬扫描透射电子显微镜技术更可解释，并且分辨率可以超过离轴电子全息术。我们将此技术应用于纳米粒子、碳基底和电场的成像。实验中观察到的对比度与模拟中预测的对比度一致。
2018-07-28 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Suppressing dynamical diffraction artefacts in differential phase contrast scanning transmission electron microscopy of long-range electromagnetic fields via precession
在微分相衬扫描透射电子显微镜（DPC-STEM），在动态衍射的样品厚度和局部晶体取向（由于样品弯曲）的变化所产生的变化可以产生的对比度相比，所产生的远距离电磁场探测这种技术。通过模拟，我们探索这些动态衍射文物的规模，并介绍了一个度量的大小，其混淆的对比度的贡献。我们表明，在几个毫弧度的角度范围内的进动可以抑制这种混淆的对比度由一到两个数量级。我们的探索中心周围的案例研究GaAs附近的[011]区轴取向使用探针形成孔径半角度的顺序为0.1毫拉德在300千电子伏，但发现的趋势和使用的方法，预计适用于更普遍。
2020-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Two-Dimensional Strain Mapping with Scanning Precession Electron Diffraction: An Investigation into Data Analysis Routines
本文针对小会聚角条件下的扫描进动电子衍射（SPED）应变分析缺乏系统研究的问题，提出了一套完整的实验与分析工作流程，并通过砷化镓纳米线案例比较了三种寻峰算法，同时公开了源代码与原始数据以供复现。
2023-07-03 cond-mat.mtrl-sci
Multi-angle precession electron diffraction (MAPED): a versatile approach to 4D-STEM precession
Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；Stanford University（斯坦福大学）
本文提出多角度进动电子衍射（MAPED）方法，通过采集不同入射束倾角的4D-STEM扫描并后处理平均，以减小Ewald球曲率影响，提升应变和取向测量精度，并在多种硬件配置下验证了其通用性。
2025-10-16 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Identification and Correction of Temporal and Spatial Distortions in Scanning Transmission Electron Microscopy
扫描透射电子显微镜（STEM）已成为定量表征材料的原子结构的首选技术，其中原子柱从高对称位置的微小位移可用于映射应变、极化、八面体倾斜以及其他物理和化学序参量场。后者可用作介观和原子模型的输入，提供对原子水平上材料的相关关系和生成物理的洞察。然而，这些定量应用的干有必要了解显微镜引起的图像失真和发展的途径，以补偿他们都作为一个快速的校准程序的一部分，在原位成像，和实验后的数据分析阶段。在这里，我们探索的时空结构的微观扭曲STEM使用多变量分析的原子轨迹的图像堆栈。基于主成分分析（PCA）的行为，我们开发了高斯过程（GP）为基础的回归方法量化的失真函数。这种方法的局限性和可能的战略实施的一部分，在线数据采集STEM进行了讨论。分析工作流程总结在一个可用于追溯分析和分析阅片人数据的Xuyter笔记本中。
2021-10-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Comparison of Kikuchi Diffraction Geometries in Scanning Electron Microscope
本文比较SEM中同轴/离轴TKD、EBSD与新型RKD的衍射几何，并通过重映射构建实验衍射球以揭示厚度、散射路径及菊池带反转差异。
2025-01-25 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Tracking solid oxide cell electrode microstructural evolution during annealing by scanning 3D X-ray diffraction microscopy
本研究使用空间分辨率达100 nm的S3DXRD技术监测Ni/YSZ固体氧化物电池退火过程中的微观结构演变，发现Ni相由晶粒生长驱动发生显著变化，最小晶粒在孔隙附近消失导致局部曲率减小，为提升器件长期稳定性提供了新见解。
2024-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Sub-Unit Cell Spatial Resolution of Phase and Polarization Mapping in Scanning Electron Diffraction
本文通过掩蔽部分重叠CBED图案的重叠区域，将4DSTEM探针缩小至单个投影晶胞量级，实现BaTiO3相位与极化的亚晶胞分辨率映射。
2021-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Structural Examination of Au/Ge(001) by Surface X-Ray Diffraction and Scanning Tunneling Microscopy
利用表面X射线衍射（SXRD）和扫描隧道显微镜（STM）的自相关函数研究了Au/Ge（001）的一维重构。在SXRD-Patterson图中发现的原子间距离由STM的结果证实。最近确定的金覆盖率为单层金的3/4，加上SXRD导致在c（8x 2）晶胞内Au的三个非等效位置。结合来自STM形貌和线轮廓的结构信息，确定了两个构建块：顶部线架构内的Au-Ge异质二聚体和沟槽内的Au同质二聚体。采用密度泛函理论和基于模型的Patterson图，通过替换重建Ge（001）表面的锗原子，讨论了两种组分的结合。
2012-05-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Fast Grain Mapping with Sub-Nanometer Resolution Using 4D-STEM with Grain Classification by Principal Component Analysis and Non-Negative Matrix Factorization
使用扫描纳米束电子衍射（也称为4D扫描透射电子显微镜，或4D-STEM）结合高速直接电子检测，展示了具有亚纳米空间分辨率的高通量晶粒测绘。一个电子探针的尺寸下降到0.5 nm的直径实施和研究的样品是金-钯纳米粒子催化剂。4D-STEM数据集的计算分析使用盘配准算法来执行，以识别衍射峰，然后进行特征学习以映射各个晶粒。比较了两种无监督特征学习技术：主成分分析（PCA）和非负矩阵分解（NNMF）。的PCA与NNMF输出的特性进行了比较，并讨论了在高空间分辨率的晶粒取向的统计分析的4D-STEM方法的潜力。
2021-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Unsupervised segmentation and clustering workflow for efficient processing of 4D-STEM and 5D-STEM data
Stanford University（斯坦福大学）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文提出一种无监督分割与聚类方法，用于高效处理4D-STEM和5D-STEM数据，通过局部衍射图案相似性提取闭合轮廓，实现结构一致行为的分割，提升信号质量并压缩数据量，适用于原位液态细胞4D-STEM数据。
2026-04-20 cond-mat.mtrl-sci eess.IV
Iterative Phase Retrieval Algorithms for Scanning Transmission Electron Microscopy
本文系统比较聚焦探针差分相位衬度、离焦探针视差和二维/三维广义叠层成像梯度下降三种迭代STEM相位恢复方法，并通过仿真、实验及白噪声模型分析其信息传递与适用范围。
2024-05-20 cond-mat.mtrl-sci
Grain boundary strain localization in CdTe solar cell revealed by Scanning 3D X-ray diffraction microscopy
利用扫描三维X射线衍射显微镜以100 nm分辨率对CdTe太阳能电池吸收层进行非破坏性三维成像，揭示高应变主要集中在大角度晶界并形成与CdS层相连的连续通路，从而关联硫沿晶界扩散，为多晶材料晶界表征提供了新方法。
2024-02-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Diffusion Distribution Model for Damage Mitigation in Scanning Transmission Electron Microscopy
针对STEM电子束损伤机制理解有限的问题，提出考虑仪器与样品参数的时空扩散过程数学框架，并设计扩散控制采样策略以约束累积扩散分布，从而最小化2维和4维实验中的电子束损伤。
2024-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Probing Temperature at Nanoscale through Thermal Vibration Characterization using Scanning Precession Electron Diffraction
State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, School of Materials Science and Engineering, Future Material Innovation Center, Zhangjiang Institute for Advanced Study, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；School of Physics and Electronics, Hunan Key Laboratory of Super Microstructure and Ultrafast Process, State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University（中南大学）；Research Center for Scientific Data Hub, Zhejiang Lab（浙江实验室）；School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Key Laboratory for Particle Astrophysics and Cosmology (MOE), SKLPPC（上海交通大学）；School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）
本研究通过扫描预倾电子衍射实现石墨烯纳米尺度温度测量，利用结构因子校正方法确定温度函数下的德拜-瓦勒因子，揭示了晶格参数和厚度对振动特性的影响。
2025-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Implementing dynamic high-performance computing supported workflows on Scanning Transmission Electron Microscope
本文提出将STEM-EELS与HPC和机器学习无缝集成，构建含目标查找与DKL的动态工作流，以提升全球70%可用STEM的材料表征效率与范围。
2024-06-16 cond-mat.mtrl-sci cs.HC physics.ins-det
Versatile Domain Mapping Of Scanning Electron Nanobeam Diffraction Datasets Utilising Variational AutoEncoders and Decoder-Assisted Latent-Space Clustering
快速电子探测器的进步使得通过扫描电子纳米束衍射（SEND）在纳米尺度上对晶体结构进行统计上显著的采样成为可能。在这个长度尺度上表征结构相似性是弥合局部原子结构（使用原子分辨率技术，如高分辨率扫描透射电子显微镜（HR-STEM））和宏观尺度（使用体相技术，如粉末X射线和中子衍射）之间差距的关键。SEND技术的使用允许广泛的样品的结构调查，由于该技术的能力，以低电子剂量和样品厚度的公差，相对于HR-STEM。这一点，再加上在广泛领域的数据收集能力和自动化收集，允许统计代表性的微观结构的采样。同样由于这些因素，SEND生成大型数据集，因此需要自动/半自动数据处理工作流来帮助最大限度地提取有用信息。因此，本文概述了一个多功能的，数据驱动的方法来生产域地图，以及评估其适用性的统计方法。为数据集生成这样的域图可以帮助突出微观结构中的细微差别，并提高该数据集的可扩展性以进行进一步研究。概述的工作流程利用变分自动编码器来识别和学习衍射信号中的方差源，并且结合聚类技术，用于为一组不同的示例情况生成域图。这一办法：对于畴结晶度是不可知的;不需要晶体结构的先验知识;并且不需要潜在地禁止的适当衍射图案库的模拟。
2022-07-27 cond-mat.mtrl-sci
Reconstruction of the interatomic forces from dynamic Scanning Transmission Electron Microscopy data
我们探讨的可能性，重建的生成物理模型描述原子单位之间的相互作用，从观测电子显微镜数据的固体。在这里，使用扫描透射电子显微镜（STEM）观察在连续电子束照射下单层石墨烯边缘的Si原子的动态运动。所得到的时间推移STEM图像表示所观察到的系统的化学状态的快照。我们使用两种方法：使用径向分布函数（RDF）和具有力匹配的石墨烯-Si原子间成对势的直接拟合进行平均力势（PMF）计算，以重建材料中的力场。这些研究奠定了定量分析的基础，从STEM数据，通过采样的亚稳态的化学空间的系统的材料能量学。
2021-01-31 cond-mat.mtrl-sci
Probing Light Atoms at Sub-nanometer Resolution: Realization of Scanning Transmission Electron Microscope Holography
电子透明材料中轻元素的透射电子显微镜（TEM）和扫描TEM（STEM）中的原子分辨率成像长期以来一直是一个挑战。例如，生物分子材料在被电子照射时会迅速改变。这些问题推动了TEM和STEM技术的发展，使电子束敏感和弱散射纳米材料的结构分析成为可能。在这里，我们展示了这样一种技术，干全息术，能够绝对相位和振幅的对象波测量相对于真空参考波。我们使用一个分幅纳米光栅制备多个空间分离的电子衍射探针光束集中在样品平面，使一个光束通过样品传输，而其他通过真空。我们用光栅扫描仪扫描衍射探针在感兴趣的区域。我们将显微镜的后样本成像系统配置为衍射模式，使探针重叠以在检测器处形成干涉图案。使用快速读出，直接电子探测器，我们记录和分析的干涉条纹在每个位置在一个二维光栅扫描重建的复杂的传递函数的标本，t（x）。我们应用这种技术来成像一个标准的目标样品组成的金纳米粒子在薄的无定形碳基板上，并展示2.4埃分辨率的相位图像。我们发现，STEM全息提供了更高的相衬的非晶材料，同时保持金原子晶格分辨率相比，高角度环形暗场STEM。
2018-07-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
Neural Object Detection for 4D STEM: High-Throughput Sub-Pixel Electron Diffraction Pattern Recognition
本文提出一种用于大规模4D-STEM数据集的端到端神经目标检测后处理框架，结合亚像素中心定位算法，实现了5x10^-4的应变测量精度与超100fps的处理速度，大幅加速了材料相识别与应变映射。
2025-07-15 cond-mat.mtrl-sci
Estimation of mass thickness response of embedded aggregated silica nanospheres from high angle annular dark-field scanning transmission electron micrographs
在这项研究中，我们调查的功能行为的强度在高角度环形暗场（HAADF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像。模型材料是5重量%的二氧化硅颗粒（20 nm）凝胶。通过假设强度响应随着二氧化硅的质量厚度的增加而单调增加，使用极大似然方法计算函数形式的估计。我们的结论是，强度的线性函数形式提供了一个公平的估计，但幂函数是显着更好地估计在z方向上的二氧化硅的量。这项工作增加了从电子显微照片中量化材料特性的发展，特别是在断层扫描方法和STEM显微照片的三维定量结构表征领域。它还提供了从STEM显微照片直接进行三维定量结构表征的方法。
2013-08-27 cond-mat.mtrl-sci
NLSTEM: Non-local denoising for enhanced 4D-STEM pattern indexing
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；US Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）
本文提出NLSTEM方法，通过非局部模式平均和重新索引算法提升4D-STEM图案索引效率，实验显示信号噪声比提升显著，尤其在离子辐照损伤样本中效果更佳。
2026-03-31 cond-mat.mtrl-sci
Probing electron beam induced transformations on a single defect level via automated scanning transmission electron microscopy
基于深度卷积神经网络的集成学习和迭代训练（ELIT）的扫描透射电子显微镜（STEM）数据流实时分析的鲁棒方法在操作显微镜上实现，通过STEM中的自动化实验探索电子束照射下特定原子配置的动态。结合光束控制，这种方法允许在全自动模式下研究选定原子团和化学键的光束效应。在这里，我们展示了过渡金属二硫属化物中单空位线的原子精确工程以及拓扑缺陷石墨烯的创建和识别。基于ELIT的方法为STEM数据的直接实时分析开辟了道路，并为探测电子束化学，原子操作和原子组装提供了实时反馈方案。
2022-07-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Training artificial neural networks for precision orientation and strain mapping using 4D electron diffraction datasets
描述了使用模拟的动态电子衍射图案来训练人工神经网络（ANN）和卷积神经网络（CNN）的技术。前提是基于以下事实。首先，在给定合适的晶体结构模型和散射势的情况下，利用动力学衍射理论可以精确地模拟电子衍射花样。其次，使用模拟的衍射图案作为输入，可以训练神经网络用于确定晶体结构特性，例如晶体取向和局部应变。此外，通过将训练的ANN应用于使用扫描电子纳米衍射（SEND）或4D扫描透射电子显微镜（4D-STEM）技术收集的四维衍射数据集（4D-DD），可以以高空间分辨率映射晶体结构性质。在这里，我们展示了人工神经网络在高精度分析晶体取向和应变方面的可能性，并通过与以前的方法进行比较，对人工神经网络和CNN的性能进行了基准测试。在0.009度（0.16 mrad）的取向映射，在0.04%或更低的应变映射的灵敏度，并在计算性能的改进的角分辨率的30倍的改善被证明。
2021-03-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Emerging hierarchical dislocation structures: Insights from scanning electron microscopy-electron backscatter diffraction in situ tensile testing and multifractal analysis
Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
研究通过原位扫描电镜-电子背散射衍射测试与多标度分析，揭示了退火304L不锈钢在非辐照和中子辐照状态下的位错结构演化，发现辐照条件下位错结构加速形成并具有分层特征。
2026-03-21 cond-mat.mtrl-sci
Advancing characterisation with statistics from correlative electron diffraction and X-ray spectroscopy, in the scanning electron microscope
微结构中微量相的常规和独特测定对材料科学至关重要。仅在冶金学方面，应用包括合金和工艺开发以及对服务退化的理解。我们开发了一种相关的方法，探索高温合金的微观结构，在扫描电子显微镜（SEM）检查，同时使用能量色散X射线光谱（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）。这是在适当的长度尺度下进行的，用于表征碳化物相的形状、尺寸、位置和分布。EDS和EBSD数据是使用两种不同的物理过程产生的，但每一种都提供了与入射电子束相互作用的材料的特征。在“大数据”方法的推动下，后处理方面的最新进展包括使用主成分分析。随后对组件进行表征，以将标签分配给映射区域。为了提供物理上有意义的信号，可以旋转主分量以控制方差的分布。在这项工作中，我们进一步发展这种方法通过加权PCA方法。我们同时使用EDS和EBSD信号，从而使用EDS（化学）和EBSD（晶体结构）信息标记每个区域。这提供了一种放大映射区域中非常小的相位的信噪比的新方法，特别是在EDS或EBSD信号对于分类来说不够独特的情况下。
2020-01-14 cond-mat.mtrl-sci
Fast Pixelated Detectors in Scanning Transmission Electron Microscopy. Part II: Post Acquisition Data Processing, Visualisation, and Structural Characterisation
结合直接电子检测（DED）技术的快速像素化检测器越来越被视为扫描透射电子显微镜（STEM）的通用检测器，能够在多种操作模式下成像。然而，围绕其产生的通常非常大的多维STEM数据集的采集后处理和可视化仍然存在一些问题。我们讨论这些问题，并提出开源软件库，使有效的处理和可视化的数据集。在整个过程中，我们提供的分析方法的例子，利用从256 $\times$ 256像素Medipix 3混合DED探测器的数据，特别侧重于材料的结构特性的STEM表征。这些技术包括虚拟探测器成像;高阶劳厄区分析;纳米束电子衍射;和扫描旋进电子衍射。在后者中，我们展示了纳米晶格参数映射的分数精度$\le 6\times10^{-4}$（0.06%）。
2020-06-22 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Reducing electron beam damage through alternative STEM scanning strategies. Part II -- Attempt towards an empirical model describing the damage process
在这一系列的第二部分中，我们试图构建一个经验模型，该模型可以模仿所有关于在特定沸石样品中的光束损伤的STEM成像中替代交错扫描模式的作用的实验观察。我们利用一个二维扩散模型，描述了耗散的沉积的光束能量的序列中的探针的位置，在扫描模式期间访问。扩散过程允许通过仔细调整连续访问的探针位置之间的停留时间和距离来尝试超越光束损伤的概念。我们增加了一个非线性函数，包括阈值效应和评估的累积损伤的扫描模式的细节的函数的图像的每个部分。总之，这些成分能够定性地描述实验数据的所有方面，并为我们提供一个模型，可以引导进一步优化，甚至更低的束损伤，而不降低所施加的电子剂量。我们故意对这里的扩散保持模糊，以避免引入太多样本特定的细节。这提供了希望，该模型也可以应用于样本类，尚未研究在这样的细节，通过调整更高级别的参数：样本依赖的扩散常数和损伤阈值。
2021-04-30 cond-mat.mtrl-sci
Sum rules in zone axis STEM-orbital angular momentum resolved electron magnetic chiral dichroism
在这项工作中，我们得出的总和规则的轨道角动量（OAM）解决电子磁性手征二向色性（EMCD），使评估的强度的自旋和轨道分量的原子磁矩在晶体样品。我们还表明，通过数值模拟，这些规则似乎只是稍微依赖于样品中的电子束的动态衍射，使其应用程序，而不需要额外的动态衍射计算。
2019-11-04 cond-mat.mtrl-sci
Fast Simulation of Damage Diffusion Distribution in Scanning Transmission Electron Microscopy
针对扫描透射电子显微镜中电子束损伤扩散过程数值模拟计算量大的问题，本文提出一个结合高效数值计算、先进可视化和多线程技术的高性能C++框架，在保持准确性的同时实现了高效运行。
2025-06-30 cond-mat.mtrl-sci eess.SP
Increasing Spatial Fidelity and SNR of 4D-STEM using Multi-frame Data Fusion
4D-STEM（其中使用像素化检测器针对扫描透射电子显微镜（STEM）中的每个2D扫描位置捕获2D衍射平面）正在补充并越来越多地取代现有的成像方法。然而，目前这些探测器的速度，尽管近年来有了很大的提高，但仍然比目前PMT技术的操作员所习惯的速度慢100到1,000倍。遗憾的是，这意味着环境扫描失真通常会限制所记录的4D数据的整体性能。在这里，我们提出了一个扩展现有的干畸变校正技术的治疗4D数据系列。虽然一般适用于4D数据，我们使用电子重叠关联和电场映射作为模型的情况下，并表现出改善空间保真度，信噪比（SNR），相位精度和空间分辨率。
2021-07-05 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Three-dimensional surface topography of graphene by divergent beam electron diffraction
只有少数扫描技术可以提供纳米分辨率的表面形貌。同时，没有能够对薄的独立晶体材料的三维表面形貌进行非侵入性成像的方法。在这里，我们提出了一种新的技术-发散束电子衍射（DBED），并表明它可以直接成像在晶体中的原子位置的不均匀性。这种不均匀性直接转化为DBED图案的一级衍射斑点中的强度对比度，并且强度对比度线性地依赖于所采用的探测电子的波长。当用低能电子（50 - 250 eV）成像时，可以检测到小至1埃的原子三维位移。DBED的主要优点是，它允许可视化的三维表面形貌和应变分布在纳米级的非扫描模式，从一个Single Shot衍射实验。
2017-03-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Real-space tilting method for atomic resolution STEM imaging of nanocrystalline materials
针对纳米晶材料衍射图样微弱难以指导倾转的问题，提出基于Ronchigram阴影图像衍射衬度变化的实空间倾转方法，无需衍射图样和先验知识即可高精度自动校正取向偏差，实现低剂量下电子束敏感材料的原子分辨率STEM成像。
2024-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Characterization of WSe$_2$ films using reflection Kikuchi diffraction in the scanning electron microscope and multivariate statistical analyses
University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）；Thermo Fisher Scientific（赛默飞世尔科技）；Central European Institute of Technology, Brno University of Technology（布鲁诺理工大学中欧研究所）；Institute of Physical Engineering, Brno University of Technology（布鲁诺理工大学物理工程学院）；Thermo Fisher Scientific, Materials Science（赛默飞世尔科技材料科学部）
本研究利用反射Kikuchi衍射与多变量统计分析技术，实现了对WSe₂薄膜厚度和晶体取向的表征。
2025-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Single atom manipulation and control in a scanning transmission electron microscope
我们证明了扫描透射电子显微镜（STEM）的亚原子聚焦光束可以用于可控地操纵2D石墨烯晶格中的单个掺杂剂原子。我们展示了吸附的源材料和石墨烯晶格与电子束的操作，使得单个空位缺陷可以可控地钝化由Si替代原子。我们进一步证明，这些Si缺陷可以通过电子束控制或修改（到目前为止，不受控制地），以形成新的缺陷，可以将新的原子纳入石墨烯晶格。这些研究证明了STEM在原子水平上进行原子纳米制造和2D材料化学反应基础研究的潜力。
2017-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Event-sparse stack denoising for 4D-STEM applications
Aarhus University（奥胡斯大学）
研究针对4D-STEM应用提出事件稀疏堆栈去噪方法，通过记录多衍射图案增加时间维度形成LTR-STEM。利用DBSCAN算法或sparse PCA处理数据，在去噪、低剂量成像及缺陷检测等方面效果良好，还可用于材料降解检查。
2026-07-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.med-ph
Spatial and spectral dynamics in STEM hyperspectral imaging using random scan patterns
用于扫描透射电子显微镜（STEM）的扫描模块的发展已经实现了产生任意扫描路径的可能性，这是目前探索的用于提高采集速度和减少电子剂量效应的方法。在这项工作中，我们提出了一个随机扫描操作模式在STEM实现在硬件层面上通过自定义扫描控制模块的实现。使用具有完全重排的光栅顺序的预定义图案来对整个感兴趣区域进行采样。然后，可以在连续的时间帧处提取子采样的随机稀疏图像，可以对其应用合适的图像重建技术。相对于传统的光栅扫描模式，这种方法允许限制剂量累积效应，但也解耦的高光谱图像中的空间和时间信息。我们提供了一些证据的概念的灵活性的随机扫描操作模式，其应用在不同的光谱显微镜的上下文中的例子：原子分辨的元素地图与电子能量损失光谱和纳米尺度阴极射线发光光谱图像。通过采用适应后处理工具，它表明，该方法允许精确地跟踪和校正样品的不稳定性，并遵循光谱扩散与高空间定位。
2019-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Learning and Controlling Silicon Dopant Transitions in Graphene using Scanning Transmission Electron Microscopy
Université de Montréal（蒙特利尔大学）；Mila（米拉研究所）；McGill University（麦吉尔大学）；Reliant AI（Reliant人工智能公司）；Google DeepMind（谷歌DeepMind）；University of Tennessee, Knoxville（田纳西大学诺克斯维尔分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
本文提出一种基于STEM数据和神经网络预测硅原子跃迁概率的机器学习方法，并利用学习到的动力学引导单个硅原子在石墨烯晶格中移动到指定目标位置。
2023-11-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Forescattered electron imaging of nanoparticles in a scanning electron microscopy
在这项研究中，我们已经使用了一个Zr-Nb合金含有定义明确的纳米析出物作为模型材料，在其中研究成像对比度反转（原子序数或衍射对比度）观察到的forescattered电子成像系统，ARGUSTM，在扫描电子显微镜（SEM）成像时，薄箔的传输几何形状。这项研究是基于蒙特卡罗模拟和分析的显微照片实验获得不同的成像条件下。基于这些结果，提出了提高原子序数或衍射对比度的成像条件。从ARGUSTM扫描电镜成像系统获得的数据也进行了比较，从标准的透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜成像相同的材料的结果。这些结果证明了ARGUSTM系统研究纳米尺度材料微观结构的能力。
2019-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Reducing electron beam damage through alternative STEM scanning strategies. Part I -- Experimental findings
透射电子显微镜（TEM）中的高能电子可以在获得足够的信息之前改变甚至完全破坏样品的结构。这在沸石、有机和生物材料的情况下尤其成问题。由于这种效应取决于电子束和样品，并且可能涉及多个损伤途径，因此其研究仍然很困难，并且受到不可复制性问题，间接证据，谣言和普遍缺乏可靠数据的困扰。在这里，我们采取的实验挑战，调查的STEM扫描模式的商业可用的沸石样品的损伤行为的作用，明确的目标，使我们的观察尽可能重现。我们利用一个可自由编程的扫描引擎，提供了完全控制的时空分布的电子探针的样品，我们利用其灵活性，以获得multiliple重复实验在相同的条件下比较传统的光栅扫描模式和新提出的交错扫描模式，提供完全相同的剂量和剂量率和访问完全相同的扫描点之间的差异，在束损伤。我们观察到两种模式的光束损伤有显著差异，损伤减少高达11%（从质量损失测量）。这些观察结果毫无疑问地表明，电子剂量、剂量率和加速电压并不是（S）TEM实验中影响束流损伤的唯一参数，并邀请业界重新思考束流损伤是施加电子剂量的不可避免的结果。
2021-04-30 cond-mat.mtrl-sci
Correlating grain boundary character and composition in 3-dimensions using 4D-scanning precession electron diffraction and atom probe tomography
本文提出4D-SPED与APT三维关联方法，在纳米晶Ni-W合金中揭示Cu和Si分别优先偏聚于大角度/非共格孪晶界与低角度/非公度晶界，为亚纳米尺度结构-化学关联研究奠定基础。
2024-09-03 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
