Автор AZoNano 13 мая 2021 г.

Известно, что атомы являются фундаментальными строительными блоками для всех видов материалов. Для настройки функциональных характеристик крайне важно точно установить их атомные структуры .

Ученые из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) теперь наблюдали трехмерную атомную структуру наночастицы на атомном уровне с помощью атомной электронной томографии с помощью нейронной сети.

Исследователи, возглавляемые профессором Йонгсу Яном, использовали платиновую наночастицу в качестве модельной системы, чтобы продемонстрировать, что метод глубокого обучения, основанный на атомарности, может последовательно обнаруживать трехмерную поверхностную атомную структуру с точностью до 15 пикометров (всего около одной трети радиуса атома водорода). Деформация, атомное смещение и фасеточный анализ показали, что атомная структура и деформация поверхности связаны с формой наночастицы, а также с границей раздела частица-подложка.

В сочетании с квантово-механическими расчетами, такими как теория функционала плотности, возможность точного обнаружения поверхностных атомных структур будет действовать как надежный ключ для интерпретации эффекта окисления и каталитических характеристик.

Мы решили задачу определения трехмерной атомной структуры поверхности наноматериалов надежным способом. Трудно точно измерить атомные структуры поверхности из-за «проблемы отсутствия клина» в электронной томографии, которая возникает из-за геометрических ограничений, позволяющих измерить только часть полного томографического углового диапазона. Мы решили проблему, используя подход, основанный на глубоком обучении .

Йонгсу Ян, профессор, KAIST

Проблема отсутствия клина приводит к артефактам удлинения и звона, что отрицательно сказывается на точности атомной структуры, установленной на томограмме, особенно для обнаружения поверхностных структур. Проблема отсутствия клина остается основным препятствием для точного определения трехмерной поверхностной атомной структуры наноматериалов.

Исследователи использовали атомную электронную томографию (AET), которая по сути представляет собой компьютерную томографию с очень высоким разрешением, предназначенную для наноматериалов с использованием просвечивающих электронных микроскопов. AET помогает определить трехмерные атомные структуры на атомном уровне.

Основная идея этого подхода, основанного на глубоком обучении, – это атомарность – тот факт, что вся материя состоит из атомов. Это означает, что электронная томограмма с истинным атомным разрешением должна содержать только четкие трехмерные атомные потенциалы, свернутые с профилем электронного пучка .

Йонгсу Ян, профессор, KAIST

« Глубокая нейронная сеть может быть обучена с использованием смоделированных томограмм, которые страдают отсутствием клиньев в качестве входных данных и наземными трехмерными атомными объемами в качестве целей. Обученная сеть глубокого обучения эффективно дополняет несовершенные томограммы и удаляет артефакты, возникающие из-за проблемы с отсутствующим клином », – добавил профессор Ян

.

Используя дополнения на основе глубокого обучения, точность трехмерной атомной структуры может быть улучшена почти на 70%. Также была значительно повышена точность идентификации поверхностных атомов.

Связи структурных свойств функциональных наноматериалов, особенно тех, которые в значительной степени зависят от поверхностных структур, таких как каталитические свойства для топливных элементов, в настоящее время могут быть продемонстрированы в одном из самых основных масштабов – атомном масштабе.

Мы хотели бы полностью отобразить трехмерную атомную структуру с более высокой точностью и лучшей элементарной специфичностью. И, не ограничиваясь атомными структурами, мы стремимся измерять физические, химические и функциональные свойства наноматериалов в трехмерном атомном масштабе с помощью дальнейших усовершенствований методов электронной томографии .

Йонгсу Ян, профессор, KAIS

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications было получено при финансовой поддержке Корейского национального исследовательского фонда и проекта KAIST Global Singularity Research M3I3.

Ссылка на журнал:

Ли Дж. и др. . (2021) Одноатомное определение уровня трехмерной поверхностной атомной структуры с помощью атомной электронной томографии с помощью нейронной сети. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-021-22204-1.

Источник: https://www.kaist.ac.kr/en/[19459008visible