Quantification of 3D atomic positions for nanoparticles using scanning transmission electron microscopy : statistical parameter estimation, dose-limited precision and optimal experimental design

Datum: 27 juni 2017

Locatie: Campus Groenenborger, U0.24 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen (route: UAntwerpen, Campus Groenenborger)

Tijdstip: 10 uur

Promovendus: Marcos ALANIA

Promotor: Sandra Van Aert

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Marcos ALANIA - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Eigenschappen van materialen worden sterk bepaald door hun atomaire structuur en chemische samenstelling. De meeste eigenschappen van materialen op macroscopische schaal kunnen gemeten worden en zijn goed bekend. Voor kleine deeltjes echter, zoals nanodeeltjes en nanoclusters waarvan de grootte enkele nanometers is (1 nm =  m), zullen de eigenschappen verschillen van zowel atomen (moleculen) als van het materiaal op macroscopische schaal. Dankzij hun unieke eigenschappen en talrijke toepassingen voor een groot aantal materialen en ontwerpen is de interesse in deze nanodeeltjes enorm gegroeid binnen de wetenschappelijke en bedrijfswereld. Theoretisch en experimenteel kon aangetoond worden dat de structuur van deze nanomaterialen verband houdt met hun karakteristieke eigenschappen. Daarom is een gedetailleerde structurele en chemische karakterisering op atomaire schaal nodig om hun eigenschappen te begrijpen.

Hoge resolutie (HR) rastertransmissie-elektronenmicroscopie (STEM, scanning transmission electron microscopy) is ontwikkeld als één van de experimentele technieken om de interne structuur van materialen op atomaire schaal te bestuderen. Hoge hoek donkerbeeldvorming met een ringvormige detector (HAADF, high angle annular dark field) in het bijzonder, laat toe om beelden met atomaire resolutie van materialen te verkrijgen. Deze afbeeldingen zijn gevoelig voor de structuur en chemische samenstelling van het materiaal. Nochtans mag men niet vergeten dat STEM beelden tweedimensionale (2D) projecties zijn van een driedimensionaal (3D) object. Vaak zal een dergelijke afbeelding niet gebruikt kunnen worden voor een volledige 3D structurele en morfologische karakterisering. Elektronentomografie is daarom een standaardtechniek geworden om betrouwbare 3D informatie te verkrijgen. Deze techniek, gecombineerd met geavanceerde reconstructie-algoritmes, laat toe om atomen te visualiseren en zelfs de chemische samenstelling in sommige nanodeeltjes atoomsgewijs te bepalen. Zodra atoomkolommen of individuele atomen in respectievelijk 2D of 3D zichtbaar zijn, wordt de volgende uitdaging om de posities en chemische samenstelling op een kwantitatieve manier te verfijnen zodat structuurparameters zo precies mogelijk gemeten kunnen worden.

Hoewel HR STEM toelaat om sub-Ångström-resolutie te bereiken, zijn statistische parameterschattingsmethoden en beeldsimulaties nodig voor een kwantitatieve structurele en chemische karakterisering. Statistische parameterschattingstheorie laat toe om parameters te schatten door een parametrisch model te fitten aan de experimentele beelden. Dit gebeurt door de parameters van het model iteratief te bepalen door een maat te optimaliseren die de overeenkomst tussen het experimenteel beeld en het model uitdrukt. Beeldsimulaties laten toe om de kwantummechanische oorsprong van de interactie tussen de elektronen en het specimen te interpreteren. Bovendien kunnen beeldsimulatie gebruikt worden om te vergelijken met de experimentele beelden als validatie van de geschatte parameters. De combinatie van statistische parameterschattingstheorie en beeldsimulaties is hier voorgesteld om een methode te ontwikkelen die toelaat om de theoretische limieten te kwantificeren waarmee atoomkolommen of atomen van een nanocluster in respectievelijk 2D of 3D gelokaliseerd kunnen worden uit een STEM experiment. Dit concept is onderzocht vanuit een theoretisch standpunt. Deze thesis kan opgedeeld worden in vier delen. Het eerste deel bestaat uit een algemene inleiding waar de motivatie en het belang van het onderzoek beschreven worden in hoofdstuk 1. Het tweede deel geeft een samenvatting over de theoretische fysica achter de beeldvorming in STEM en de basisprincipes van statistische parameterschattingstheorie in respectievelijke hoofdstukken 2 en 3. Het derde deel bestaat uit de resultaten van het werk en wordt beschreven in hoofdstukken 4, 5 en 6. In hoofdstuk 4 wordt de betrouwbaarheid vergeleken van de twee meest populaire methoden om STEM beeldsimulaties uit te voeren. Dit gebeurt in functie van de parameters die gebruikt worden voor de kwantificatie van de beelden, namelijk de geïntegreerde intensiteit en de precisie van de atoomkolommen. In hoofdstuk 5 wordt onderzocht wat de theoretische limiet is waarmee atomen van een nanocluster in 3D gelokaliseerd kunnen worden op basis van een tiltserie beelden opgenomen met donkerbeeldvorming met een ringvormige detector (ADF, annular dark field) in STEM. Deze studie is gebaseerd op het concept van de Fisher informatiematrix dat toelaat om een uitdrukking af te leiden voor de hoogst haalbare precisie waarmee atomen gelokaliseerd kunnen worden in 3D. Verder worden sommige experimentele instellingen van de microscoop geoptimaliseerd met dit criterium. In hoofdstuk 6 wordt hetzelfde concept gebruikt om de haalbare precisie te onderzoeken waarmee de dieptelocatie van een atoom en het massamiddelpunt van een geïsoleerde atoomkolom gemeten kunnen worden uit een focusserie van beelden opgenomen in HAADF STEM. Daarenboven werd een 3D reconstructiemethode ontwikkeld gebaseerd op een focusserie HAADF STEM beelden. Tot slot worden in het vierde deel, in hoofdstuk 7, algemene conclusies getrokken en toekomstperspectieven besproken.



Url: http://www.uantwerpen.be/wetenschappen