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
A Fast Algorithm for Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) Imaging and 4D-STEM Diffraction Simulations
扫描透射电子显微镜（STEM）是一种在原子尺度上研究材料的非常通用的方法。许多STEM实验都得到了电子散射模拟的支持或验证。然而，使用传统的多切片算法来执行这些模拟可能需要非常大的计算时间，特别是对于具有数百万个探针位置的实验，因为每个探针位置必须独立地模拟。最近，开发了PRISM算法以减少大型STEM模拟的计算时间。在这里，我们介绍了一种新的STEM模拟方法：将STEM探头划分为“子光束”，由父光束的自然相邻插值给出。这个想法与PRISM模拟兼容，并且可以导致模拟时间的更大改进，以及需要显着更少的计算机RAM。我们已经进行了各种模拟，以证明分区PRISM STEM模拟的优点和缺点。我们发现，这种新的算法是特别有用的4D-STEM模拟大视场。我们还提供了一个参考实现的multislice，PRISM和分区PRISM算法。
2021-04-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
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
Cepstral Scanning Transmission Electron Microscopy Imaging of Severe Lattice Distortions
使用快速探测器的四维（4D）扫描透射电子显微镜（STEM）的发展为解决电子成像中的一些长期挑战开辟了新的途径。这些挑战之一是如何成像严重扭曲的晶格，如在位错核心。在这里，我们介绍了一种新的4D-STEM技术，称为倒谱STEM，使用电子漫散射成像无序晶体。局部波动的漫散射捕获扫描电子纳米衍射（SEND）使用相干探针。利用倒谱分析检测电子漫散射中的谐波信号，并用于成像。通过将倒谱分析与4D-STEM相结合，我们证明了关于电子散射势的畸变部分的信息可以在nm的空间分辨率下分离和成像。我们应用我们的技术来分析的位错核心的SiGe和晶格畸变的高熵合金。
2021-01-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Atomic-Scale Characterization of Oxide Interfaces and Superlattices Using Scanning Transmission Electron Microscopy
National Laboratory of the Rockies（落基山国家实验室）；Metallurgical and Materials Engineering Department, Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院冶金与材料工程系）；Renewable and Sustainable Energy Institute, University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校可再生与可持续能源研究所）
本文综述了扫描透射电子显微镜在氧化物界面和超晶格研究中的应用，重点介绍了成像、衍射及能谱技术如何揭示结构-性能关系，并讨论了新兴的等离子体制备和人工智能辅助方法。
2026-07-08 cond-mat.mtrl-sci
Automated image acquisition for low-dose STEM at atomic resolution
电子束损伤是电子显微镜的一个主要限制，在更高的分辨率下变得越来越严重。避免辐射损伤的一种可能途径是将剂量分布在一个物体的许多相同副本上，这是单粒子电子显微镜和相关技术的基础。对于低剂量数据的采集，理想情况下，在采集数据之前不应对感兴趣区域施加剂量。我们提出了一种自动化的方法，可以有效地收集大量的数据，通过在用户定义的感兴趣的区域与原子分辨率采集图像。我们证明了Nion UltraSTEM的载物台力学，结合移动样品的智能算法，可以从石墨烯衬底的微米级区域自动获取原子分辨率的图像。在感兴趣区域上以规则图案自动移动样品台使得能够从原始样品区域收集数据，而无需在记录图像之前将它们暴露于电子束。因此，有可能获得具有最小剂量的数据（没有来自聚焦的先前曝光），这仅受数据处理所需的最小信号的限制。这使我们能够防止样品中的光束引起的损伤，并在合理的时间内获得大数据集。
2018-03-16 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
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
Quantifying the Full Damage Profile of Focused Ion Beams via 4D-STEM Precession Electron Diffraction and PSNR Metrics
University of Surrey（萨里大学）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；University of Leeds（利兹大学）；National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）
本研究提出利用4D-STEM和PSNR指标全面量化聚焦离子束（FIB）损伤轮廓，解决了现有技术仅表征束流核心而低估点扩展函数的问题，实现了低剂量下缺陷的超灵敏检测。
2025-10-31 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Direct imaging of local atomic structures in zeolite using novel low-dose scanning transmission electron microscopy
沸石由于其独特的多孔原子结构，已被用于工业应用，如催化剂、离子交换剂和分子筛。然而，通过电子显微镜直接观察沸石局部原子结构是困难的，这是由于它们对电子辐照的低抗性。随后，这些结构和它们的性质之间的基本关系仍然不清楚。一种新的低电子剂量成像技术，最佳明场扫描透射电子显微镜（OBF STEM）最近被开发出来。它重建的图像具有高的信噪比和剂量效率约两个数量级高于传统的方法。在此，我们对一种FAU型沸石进行了低剂量原子分辨率的OBF STEM观测，有效地可视化了其框架中的所有原子位点。此外，还直接表征了沸石中孪晶界面的复杂局部原子结构。本研究的结果有利于许多电子束敏感材料中局部原子结构的表征。
2023-01-11 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
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
Local thickness and composition measurements from scanning convergent-beam electron diffraction of a binary non-crystalline material obtained by a pixelated detector
我们通过衍射测量了SiO2基玻璃材料的局部成分和厚度。通过使用四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM），我们得到了在每个扫描点的衍射。通过与模拟衍射图样的比较，我们尝试测量局部成分和厚度。虽然这种方法需要一些限制，这种方法测量的局部组成和厚度与1/10或更少的电子剂量的EELS。
2020-05-19 cond-mat.mtrl-sci
Three-Dimensional Imaging of Individual Point Defects Using Selective Detection Angles in Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy
我们提出了一种新的扫描透射电子显微镜（STEM）技术，可以实现三维（3D）表征的空位，较轻和较重的掺杂剂与高精度。使用多层STEM成像和β-Ga 2 O3和SrTiO 3的衍射模拟，我们表明，选择一个小范围的低散射角可以使含缺陷的原子柱的对比度基本上更依赖于深度。深度依赖性的起源是由于原子柱中存在点缺陷而导致的电子去沟道，这在低散射角下产生额外的波纹。我们表明，通过捕获的去沟道信号与窄选择的环形暗场角（例如20-40毫拉德），在图像中包含点缺陷的列的对比度可以显着增强。样品厚度，晶体取向，探头会聚角，和实验的不确定性的影响也将被讨论。因此，我们的新技术可以为功能材料中单个点缺陷的高精度3D结构表征创造新的机会。
2016-07-09 cond-mat.mtrl-sci
A single-projection three-dimensional reconstruction algorithm for scanning transmission electron microscopy data
对三维纳米结构的兴趣增加，推动了能够在纳米级或纳米级以下三维成像的电子显微镜技术。我们提出了一种重建算法，作为输入的一个焦点系列的四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）数据。我们将该方法应用于铅铱酸盐，铅$_2$铱$_2$ O $_7$，钇稳定的氧化锆，Y $_{0.095}$ Zr $_{0.905}$ O $_2$，异质结构从数据采集与样品在一个单一的平面视图取向，沿光束方向堆叠的外延层。我们表明，Pb-Ir原子柱是可见的重建体积的最上层。我们比较这种方法的替代技术的深度切片使用微分相衬扫描透射电子显微镜（DPC-STEM）和多层重叠关联重建。
2022-02-17 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
Optimization-Based Thickness Estimation and Depth-Resolved FIB-Induced Damage Characterization via Multislice Electron Ptychography
Seoul National University（首尔国立大学）；University of Southern California（南加州大学）
本研究通过贝叶斯优化联合估计多层电子叠层衍射中的厚度参数，从4D-STEM数据同时获得局部厚度与FIB损伤深度分布，实现自洽的定量分析。
2026-10-08 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
Investigation by STEM-EELS of helium density in nanobubbles formed in aged palladium tritides
研究了氚化钯中氚的放射性衰变产生的3 He纳米气泡在几年老化后的性质。扫描透射电子显微镜电子能量损失谱（STEM-EELS）已被用来测量氦密度从氦K-边缘约23 eV。氦密度在20和140（+/-30）He/nm 3之间，相应的纳米气泡压力在0.1和3（+/-0.2）GPa之间。通过STEM-EELS测量氦密度和映射氦原子，能够区分氚化钯基质中的气泡和空洞。
2021-05-25 cond-mat.mtrl-sci
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
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
Simultaneous excitation of phonons at the center and boundaries of Brillouin zones with high energy electron beams
高能电子束现在可以常规地聚焦到1-2 μ m，并提供在扫描透射电子显微镜（STEM）中使用单色电子能量损失谱（EELS）从材料获得振动信息的能力。在这里，它表明，长和短波长的声子可以同时探测轴上振动干EELS。使用聚焦电子束的优点在于，短波长声子经由碰撞散射探测，而长波长模式经由偶极散射探测。短波长模式的局域化特征通过扫描电子束穿过六方氮化硼纳米颗粒的边缘来证明。据发现，高空间分辨率STEM成像所需的条件也与条件相关，以提高短波长声子的振动能量损失谱的贡献。用轴上振动STEM EELS以高空间分辨率探测短波长声子将有助于在材料中原子尺度的异质性下建立振动激发和键合安排之间的基本联系。
2020-10-27 cond-mat.mtrl-sci
A platform for in situ synthesis in a STEM
本文提出并验证了一种用于扫描透射电子显微镜的原位热沉积平台，实现了Sn原子从灯丝蒸发并输送到样品上，为原子级材料合成与实时原子分辨率成像提供了新途径。
2023-02-27 cond-mat.mtrl-sci
From Photons to Electrons: Accelerated Materials Discovery via Random Libraries and Automated Scanning Transmission Electron Microscopy
University of Tennessee（田纳西大学）；University of Washington（华盛顿大学）；Exabyte Inc.（Exabyte公司）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本文提出通过电子显微镜替代传统光子技术，利用随机库和自动化显微镜实现高通量材料发现，展示了基于机器学习的自动调节和控制方法，以提高材料探索效率。
2026-03-24 cond-mat.mtrl-sci
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
Polarity determination in ZnSe nanowires by HAADF STEM
利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜对分子束外延生长在GaAs衬底上的ZnSe纳米线的极性进行了分析。将实验结果与模拟图像进行比较，以验证可能的实验伪影。在这项工作中，我们表明，对于这种类型的纳米物体，低于15毫拉德，远离晶带轴的样本的残余倾斜不会损害实验图像的解释。
2012-07-20 cond-mat.mtrl-sci
Fast determination of thickness through scanning moiré fringe in scanning transmission electron microscopy
样品厚度是透射电子显微镜（TEM）成像中的一个重要参数，用于解释图像对比度和理解性能与微观结构之间的关系。在这项研究中，我们介绍了一种基于扫描莫尔条纹（SMF）的扫描透射电子显微镜（STEM）模式下确定厚度的方法。使用聚焦系列SMF成像可以在中等放大率下原位确定样品厚度，在很大程度上避免了光束损伤和污染。该方法为TEM成像中厚度的确定提供了一种快速方便的方法，特别适用于金属有机框架等束敏感材料。
2021-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Contrast mechanisms in secondary electron e-beam induced current (SEEBIC) imaging
在过去的几年中，一种新的模式，在扫描透射电子显微镜（STEM）的成像已获得关注，因为它允许直接可视化的样品电导率和电连接。当电子束（e-beam）聚焦在STEM中的样品上时，产生次级电子（SE）。如果样品是导电的并且电连接到放大器，则可以测量作为电子束位置的函数的SE电流。这种情况类似于更知名的基于扫描电子显微镜（SEM）的技术，即电子束感应电流（EBIC）成像，除了STEM中的信号由SE的发射产生，因此命名为SEEBIC，并且在这种情况下，电流沿相反方向流动。在这里，我们提供了一个简短的回顾，最近在这方面的工作，研究与SEEBIC相关的各种对比度生成机制，并说明其用于表征石墨烯纳米器件。
2022-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Depth, relaxation and temperature dependence of defect complexes in scanning transmission electron microscopy
我们提出了一种新的分析方法，用于扫描透射电子显微镜（STEM）的基础上的Voronoi细胞集成方法，以确定在ZnO中的InZn和VZn缺陷复合物的三维位置。使用最先进的仿真软件和硬件，我们提出了使用模拟图像上的迈克尔逊对比度的计算方法，以确定在实验设置中使用的最佳接收角。缺陷的位置，DFT松弛和冷却的样品到液氮温度的效果进行了研究。DFT松弛被证明是后果，以准确地确定三维位置的缺陷。松弛也被证明有一个显着的影响，在液氮温度下相邻的列。
2019-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Mapping electron beam-induced radiolytic damage in molecular crystals
National Center for Electron Microscopy, Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室分子发现中心电子显微镜国家中心）；California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所）；Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division, Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室分子生物物理与综合成像部）；Department of Chemistry and Biochemistry, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系）；UCLA–DOE Institute for Genomics and Proteomics, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校 UCLA-能源部基因组与蛋白质组学研究所）
本研究利用室温扫描纳束电子衍射记录分子晶体在辐射分解各阶段的双空间快照，揭示了相干衍射区的空间重取向导致Bragg反射强度非单调衰减，以及离域损伤的同心传播，深化了对束敏感分子晶体辐射损伤机制的理解。
2024-04-27 cond-mat.mtrl-sci
Symmetry quantification and segmentation in STEM imaging through Zernike moments
本文提出基于Zernike矩的方法，用于量化STEM图像中的对称性，实现原子尺度材料的结构分析，并成功应用于扭转双层TaS₂的多型体无监督分割与相变监测。
2024-05-27 cond-mat.mtrl-sci
Using 4D STEM to probe mesoscale order in molecular glass films prepared by physical vapor deposition
物理气相沉积可用于制备高度稳定的有机玻璃系统，其中分子在纳米级上显示取向和平移有序。我们已经使用了低剂量的四维扫描透射电子显微镜（4D STEM），使一个快速的直接电子检测器，使用2 nm的探针在玻璃样品中的一个disease-mesogen映射柱状顺序。气相沉积和液体冷却的玻璃膜显示域的类似取向，但它们的大小从几十到几百纳米，这取决于处理。域的大小是一致的表面扩散介导的有序薄膜沉积过程中。这些结果证明了低剂量4D STEM表征分子玻璃系统中的介观结构的能力，这可能与有机电子学有关。
2023-02-21 cond-mat.mtrl-sci
The evolution of precipitate crystal structures in an Al-Mg-Si(-Cu) alloy studied by a combined HAADF-STEM and SPED approach
本文详细研究了低Cu（0.01at.%）添加对合金性能的影响研究了Al-0.80Mg-0.85Si合金时效过程中析出相的变化规律。通过扫描透射电子显微镜结合新型扫描旋进电子衍射方法（包括机器学习）评估沉淀物晶体结构。这些技术的结合使得能够通过分析统计上显著数量的沉淀物来评估单个沉淀物内的原子排列，以及在每个老化条件下对沉淀物相分数的改进估计。基于所获得的结果，可以近似出被锁定在沉淀物内的溶质原子的总量。结果表明，即使Cu含量接近杂质水平，Al-Mg-Si系统沉淀也受到过时效的显著影响。主要的变化是由于含Cu的Q '相的相分数逐渐增加，其最终被视为主导沉淀物结构。结构超越可以基于热稳定Q '相的连续形成来解释，其中Cu原子柱并入比可能容纳的更少的Cu。
2018-05-30 cond-mat.mtrl-sci
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
Causal analysis of competing atomistic mechanisms in ferroelectric materials from high-resolution Scanning Transmission Electron Microscopy data
机器学习已经成为一个强大的工具，用于分析介观和原子分辨的图像和光谱的电子和扫描探针显微镜，与应用范围从特征提取到信息压缩和相关的序参量的说明，以反演成像数据重建结构模型。然而，机器学习方法的根本局限性在于它们的相关性，导致对混淆因素的极端敏感性。在这里，我们实现了因果分析的结构扫描透射电子显微镜（STEM）数据的工作流程，并探讨在铁电-反铁电相变的铁电钙钛矿的物理和化学效应之间的相互作用。Sm掺杂的BiFeO 3的组合库生长，以覆盖从纯铁电BFO到正交20% Sm掺杂的BFO的组合物范围。原子分辨的STEM图像被采集用于选定的组合物，并用于创建一组局部组成，结构和偏振场描述符。信息几何因果推理（IGCI）和加性噪声模型（ANM）分析被用来建立描述符之间的成对因果方向，在因果方向上对数据集进行排序。IGCI和ANM的因果链的组成进行了比较，并建议存在共同的因果机制，在整个组成系列。最终，我们相信，多模态数据的因果分析将允许探索多个竞争机制之间的因果关系，控制的形态材料和铁电弛豫体的独特功能的出现。
2020-03-30 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
In silico Ptychography of Lithium-ion Cathode Materials from Subsampled 4-D STEM Data
针对4-D STEM中电子束损伤与信噪比的矛盾，本文提出利用数据冗余的欠采样重建方法，并在模拟LiMnO2数据集上以12.5%采样率实现高质量相位图像重建。
2023-07-12 cond-mat.mtrl-sci eess.SP physics.comp-ph
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
St4DeM: A software suite for multi-modal 4D-STEM acquisition techniques
本文提出了在 Digital Micrograph 环境下编写的 St4DeM 软件套件，集成了 4D-STEM、叠层衍射成像、EELS/EDS 谱成像、断层成像等功能，实现了 7 维数据的采集与分析。
2025-04-28 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative Phase Retrieval and Characterization of Magnetic Nanostructures via Lorentz (Scanning) Transmission Electron Microscopy
本文系统评估并比较了TIE、RMAD和ePIE三种相位重建方法在LTEM和Ltz-4D-STEM中对坡莫合金纳米岛及NiFe纳米线的定量相位重建性能，并利用总相移梯度表征了磁性纳米结构间的邻近效应。
2024-12-30 cond-mat.mtrl-sci
Fast Pixelated Detectors in Scanning Transmission Electron Microscopy. Part I: Data Acquisition, Live Processing and Storage
快速像素化检测器和直接电子检测技术的使用正在彻底改变扫描透射电子显微镜（STEM）的许多方面。这些新技术的广泛采用受到与之相关的技术挑战的阻碍。这些问题包括与硬件控制有关的问题，以及从这些探测器获取、实时处理和可视化以及存储数据的问题。我们讨论了这些问题，并提出了软件解决方案，以期使新的探测器在STEM的背景下更容易获得的好处。在整个过程中，我们提供的技术应用的例子，使用来自Medipix 3直接电子探测器的数据。我们的大多数软件都是在开源许可证下提供的，允许实现算法的透明度，并允许社区自由使用和进一步改进它们。
2020-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Ptychographic Algorithms for Phase Recovery in 4D Scanning Transmission Electron Microscopy
Abdus-Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP)（阿卜杜斯·萨拉姆国际理论物理中心）；RWTH University Aachen（亚琛工业大学）；Elettra Synchrotron（埃莱特拉同步辐射实验室）
本文综述了4D STEM中叠层衍射成像的相位恢复算法，包括ePIE、WDD和SSB，并通过MoS2单层模拟数据实现SSB重建。
2026-06-05 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
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
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
Real-time imaging of atomic potentials in 2D materials with 30 keV electrons
扫描透射电子显微镜（STEM）是二维（2D）材料原子尺度表征的最广泛采用的工具。许多2D材料仍然易受电子束损伤的影响，尽管标准化实践将束能量从200 keV降低到80或60 keV。尽管所有存在的元素都可以通过使用集成微分相位衬度（iDPC）STEM或电子重叠关联成像的原子静电势成像来检测，但以原子分辨率和增强的灵敏度捕获动态仍然是一个挑战。在这里，通过使用iDPC-STEM，我们通过原子静电势成像捕获二维WS $_2$中的缺陷动力学，其束能量仅为30 keV。具有高帧率的原子静电势的直接成像揭示了WS $_2$中的缺陷和边缘附近的单个原子的存在和运动，否则这些缺陷和边缘用常规的环形暗场STEM是不可见的，或者不能通过电子重叠关联成像足够快地捕获。
2021-02-24 cond-mat.mtrl-sci
Unsupervised Reward-Driven Image Segmentation in Automated Scanning Transmission Electron Microscopy Experiments
University of Tennessee（田纳西大学）；Pacific Northwest National Laboratory（太平洋西北国家实验室）
本文提出并基准测试了一种用于STEM自动实验的无监督奖励驱动图像分割方法，该方法无需人工标签且完全可解释，能实现实时性能，并适用于多种显微图像分析任务。
2024-09-20 cond-mat.mtrl-sci cs.HC cs.LG
Revealing hidden defects through stored energy measurements of radiation damage
随着对材料原子结构的充分了解，有可能预测任何感兴趣的宏观性质。在实践中，这受到所选择的表征技术的限制。例如，电子显微镜无法检测到辐照材料中最小和最多的缺陷。而不是空间表征，我们建议检测和量化缺陷，通过其过剩的能量。差示扫描量热法（DSC）的辐照钛测量缺陷密度5倍以上，使用透射电子显微镜（TEM）测定。我们的实验还揭示了两个能量不同的过程，其中建立的退火模型预测一个。分子动力学（MD）模拟发现的缺陷负责，并通知一个新的机制，为恢复辐射诱导的缺陷。退火实验和模拟的结合可以揭示隐藏在其他表征技术中的缺陷，并有可能揭示材料缺陷演变背后的新机制。
2022-06-14 cond-mat.mtrl-sci
A Transformer-based Model for Rapid Microstructure Inference from Four-Dimensional Scanning Transmission Electron Microscopy Data
本文提出基于变换器的模型，利用四维扫描透射电子显微镜数据快速推断晶体微结构，提升晶体学取向推断速度，促进材料设计与优化。
2026-02-12 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
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
Non-destructive study of collision cascade damage in self-ion irradiated tungsten using HR-EBSD and ECCI
了解辐射下缺陷的产生和演变是一个长期存在的多尺度问题。传统上，辐照诱导缺陷（IID）的实验检查主要依赖于透射电子显微镜（TEM），它提供了高的空间分辨率，但需要破坏性的样品制备。此外，有限的视场和低应变灵敏度使得多尺度表征和定量应变测量变得困难。在这里，我们探讨了使用先进的扫描电子显微镜（SEM）技术的潜力，非破坏性探针辐照损伤在散装材料的表面。电子沟道衬度成像（ECCI）是用来成像纳米级的辐照引起的缺陷在20 MeV的自离子辐照钨，聚变反应堆装甲的主要候选材料。结果表明，从均匀和随机分布的纳米级缺陷在0.01 dpa（每原子位移）的损伤微观结构的演变，以字符串结构延伸超过数百纳米在1 dpa。基于互相关的高分辨率EBSD（HR-EBSD）是用来探测晶格应变场与IID。虽然在0.01 dpa下几乎没有应变波动，但在0.1 dpa下观察到晶格应变的显着不均匀性，随着剂量的增加而增加，直到在0.32 dpa下饱和。应变起伏的特征长度尺度为~500 nm。总之，ECCI和HR-EBSD揭示了从缺陷无序的结构到由预先存在的缺陷和新的级联损伤之间的弹性相互作用驱动的具有长程序的结构的转变。这项研究表明，扫描电镜提供了一个有吸引力的工具，快速吞吐量，非破坏性，多尺度和多方面的辐射损伤表征。
2020-08-08 cond-mat.mtrl-sci
Nanometer-scale operando electric field mapping in oxide junctions by correlative STEM-EBIC and 4D-STEM
University of Warwick（华威大学）；The University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Hefei National Laboratory（合肥国家实验室）
本研究结合STEM-EBIC与4D-STEM，在纳米尺度定量映射氧化物肖特基结的电场分布，揭示其偏离理想模型，为界面静电学与器件设计提供依据。
2026-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Sub-Atomic Channeling and Vortex Beams in SrTiO$_3$
最近的实验亚原子测量的启发，使用分析像差校正扫描透射电子显微镜（STEM），我们研究了电子探针在结晶SrTiO $_3$在亚原子长度尺度上的传播。在这里，我们报告的亚原子通道的存在和形成的涡旋光束在这个尺度上。在不同晶体温度和STEM探针会聚角（10至50 mrad）和光束能量（80至300 keV）下进行的光束传播模拟结果表明，降低环境温度可以增强亚原子通道，STEM探针参数可以用于控制涡旋光束并调节其强度，速度和面积。
2018-08-09 cond-mat.mtrl-sci
Fabrication and characterization of boron-terminated tetravacancies in monolayer hBN using STEM, EELS and electron ptychography
本研究利用高剂量率STEM电子辐照在单层hBN中精确制造硼终止的四空位，并结合像差校正STEM、EELS和电子叠层衍射对其边缘终止、结构弛豫及键合效应进行了原子级表征。
2025-05-28 cond-mat.mtrl-sci
