Crystal image analysis using 2D2D synchrosqueezed transforms

We propose efficient algorithms based on a band-limited version of 2D synchrosqueezed transforms to extract mesoscopic and microscopic information from atomic crystal images. The methods analyze atomic crystal images as an assemblage of non-overlapping segments of 2D general intrinsic mode type functions, which are superpositions of non-linear wave-like components. In particular, crystal defects are interpreted as the irregularity of local energy; crystal rotations are described as the angle deviation of local wave vectors from their references; the gradient of a crystal elastic deformation can be obtained by a linear system generated by local wave vectors. Several numerical examples of synthetic and real crystal images are provided to illustrate the efficiency, robustness, and reliability of our methods.Comment: 27 pages, 17 figure

Combining 2D2D synchrosqueezed wave packet transform with optimization for crystal image analysis

We develop a variational optimization method for crystal analysis in atomic resolution images, which uses information from a 2D synchrosqueezed transform (SST) as input. The synchrosqueezed transform is applied to extract initial information from atomic crystal images: crystal defects, rotations and the gradient of elastic deformation. The deformation gradient estimate is then improved outside the identified defect region via a variational approach, to obtain more robust results agreeing better with the physical constraints. The variational model is optimized by a nonlinear projected conjugate gradient method. Both examples of images from computer simulations and imaging experiments are analyzed, with results demonstrating the effectiveness of the proposed method

Deep Learning of Atomically Resolved Scanning Transmission Electron Microscopy Images: Chemical Identification and Tracking Local Transformations

Recent advances in scanning transmission electron and scanning probe microscopies have opened exciting opportunities in probing the materials structural parameters and various functional properties in real space with angstrom-level precision. This progress has been accompanied by an exponential increase in the size and quality of datasets produced by microscopic and spectroscopic experimental techniques. These developments necessitate adequate methods for extracting relevant physical and chemical information from the large datasets, for which a priori information on the structures of various atomic configurations and lattice defects is limited or absent. Here we demonstrate an application of deep neural networks to extract information from atomically resolved images including location of the atomic species and type of defects. We develop a 'weakly-supervised' approach that uses information on the coordinates of all atomic species in the image, extracted via a deep neural network, to identify a rich variety of defects that are not part of an initial training set. We further apply our approach to interpret complex atomic and defect transformation, including switching between different coordination of silicon dopants in graphene as a function of time, formation of peculiar silicon dimer with mixed 3-fold and 4-fold coordination, and the motion of molecular 'rotor'. This deep learning based approach resembles logic of a human operator, but can be scaled leading to significant shift in the way of extracting and analyzing information from raw experimental data

Influence of the hierarchical architecture of multi-core iron oxide nanoflowers on their magnetic properties

Magnetic properties of superparamagnetic iron oxide nanoparticles are controlled mainly by their particle size and by their particle size distribution. Magnetic properties of multi-core iron oxide nanoparticles, often called iron oxide nanoflowers (IONFs), are additionally affected by the interaction of magnetic moments between neighboring cores. The knowledge about the hierarchical structure of IONFs is therefore essential for understanding the magnetic properties of IONFs. In this contribution, the architecture of multi-core IONFs was investigated using correlative multiscale transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction and dynamic light scattering. The multiscale TEM measurements comprised low-resolution and high-resolution imaging as well as geometric phase analysis. The IONFs contained maghemite with the average chemical composition -Fe$_{2.72±0.02}$O$_{4}$. The metallic vacancies located on the octahedral lattice sites of the spinel ferrite structure were partially ordered. Individual IONFs consisted of several cores showing frequently a specific crystallographic orientation relationship between direct neighbors. This oriented attachment may facilitate the magnetic alignment within the cores. Individual cores were composed of partially coherent nanocrystals having almost the same crystallographic orientation. The sizes of individual constituents revealed by the microstructure analysis were correlated with the magnetic particle sizes that were obtained from fi

New Computer System for Recognizing Micro- and Nano-Sized Objects in Semiconductors and Colloidal Solutions

In this paper it is describe a new approach developed for recognizing micro- and nano-sized objects and a method for quantitative analysis of these objects. For this purpose was developed the automated systems that can simplify and accelerate the process of nanoparticle tracks analysis under the microscope whereby engineers and scientists are able to recognize the structures of defects in semiconductor wafers, along with nanoparticles and other microscopic objects. This capability is important to both select appropriate crystals and also to apply the data to improve the production process

Artificial Intelligence in Materials Science: Applications of Machine Learning to Extraction of Physically Meaningful Information from Atomic Resolution Microscopy Imaging

Materials science is the cornerstone for technological development of the modern world that has been largely shaped by the advances in fabrication of semiconductor materials and devices. However, the Moore’s Law is expected to stop by 2025 due to reaching the limits of traditional transistor scaling. However, the classical approach has shown to be unable to keep up with the needs of materials manufacturing, requiring more than 20 years to move a material from discovery to market. To adapt materials fabrication to the needs of the 21st century, it is necessary to develop methods for much faster processing of experimental data and connecting the results to theory, with feedback flow in both directions. However, state-of-the-art analysis remains selective and manual, prone to human error and unable to handle large quantities of data generated by modern equipment. Recent advances in scanning transmission electron and scanning tunneling microscopies have allowed imaging and manipulation of materials on the atomic level, and these capabilities require development of automated, robust, reproducible methods.Artificial intelligence and machine learning have dealt with similar issues in applications to image and speech recognition, autonomous vehicles, and other projects that are beginning to change the world around us. However, materials science faces significant challenges preventing direct application of the such models without taking physical constraints and domain expertise into account.Atomic resolution imaging can generate data that can lead to better understanding of materials and their properties through using artificial intelligence methods. Machine learning, in particular combinations of deep learning and probabilistic modeling, can learn to recognize physical features in imaging, making this process automated and speeding up characterization. By incorporating the knowledge from theory and simulations with such frameworks, it is possible to create the foundation for the automated atomic scale manufacturing

Experimental and Data-driven Workflows for Microstructure-based Damage Prediction

Materialermüdung ist die häufigste Ursache für mechanisches Versagen. Die Degradationsmechanismen, welche die Lebensdauer von Bauteilen bei vergleichsweise ausgeprägten zyklischen Belastungen bestimmen, sind gut bekannt. Bei Belastungen im makroskopisch elastischen Bereich hingegen, der (sehr) hochzyklischen Ermüdung, bestimmen die innere Struktur eines Werkstoffs und die Wechselwirkung kristallografischer Defekte die Lebensdauer. Unter diesen Umständen sind die inneren Degradationsphänomene auf der mikroskopischen Skala weitgehend reversibel und führen nicht zur Bildung kritischer Schädigungen, die kontinuierlich wachsen können. Allerdings sind einige Kornensembles in polykristallinen Metallen, je nach den lokalen mikrostrukturellen Gegebenheiten, anfällig für Schädigungsinitiierung, Rissbildung und -wachstum und wirken daher als Schwachstellen. Daher weisen Bauteile, die solchen Belastungen ausgesetzt sind, oft eine ausgeprägte Lebensdauerstreuung auf. Die Tatsache, dass ein umfassendes mechanistisches Verständnis für diese Degradationsprozesse in verschiedenen Werkstoffen nicht vorliegt, hat zur Folge, dass die derzeitigen Modellierungsbemühungen die mittlere Lebensdauer und ihre Varianz in der Regel nur mit unbefriedigender Genauigkeit vorhersagen. Dies wiederum erschwert die Bauteilauslegung und macht die Nutzung von Sicherheitsfaktoren während des Dimensionierungsprozesses erforderlich. Abhilfe kann geschaffen werden, indem umfangreiche Daten zu Einflussfaktoren und deren Wirkung auf die Bildung initialer Ermüdungsschädigungen erhoben werden. Die Datenknappheit wirkt sich nach wie vor negativ auf Datenwissenschaftler und Modellierungsexperten aus, die versuchen, trotz geringer Stichprobengröße und unvollständigen Merkmalsräumen, mikrostrukturelle Abhängigkeiten abzuleiten, datengetriebene Vorhersagemodelle zu trainieren oder physikalische, regelbasierte Modelle zu parametrisieren. Die Tatsache, dass nur wenige kritische Schädigungen bezogen auf das gesamte Probenvolumen auftreten und die hochzyklische Ermüdung eine Vielzahl unterschiedlicher Abhängigkeiten aufweist, impliziert einige Anforderungen an die Datenerfassung und -verarbeitung. Am wichtigsten ist, dass die Messtechniken so empfindlich sind, dass nuancierte Schwankungen im Probenzustand erfasst werden können, dass die gesamte Routine effizient ist und dass die korrelative Mikroskopie räumliche Informationen aus verschiedenen Messungen miteinander verbindet. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, einen Workflow zu etablieren, der den Datenmangel behebt, so dass die zukünftige virtuelle Auslegung von Komponenten effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger gestaltet werden kann. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein kombinierter experimenteller und datenverarbeitender Workflow vorgeschlagen, um multimodale Datensätze zu Ermüdungsschädigungen zu erzeugen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Auftreten von lokalen Gleitbändern, der Rissinitiierung und dem Wachstum mikrostrukturell kurzer Risse. Der Workflow vereint die Ermüdungsprüfung von mesoskaligen Proben, um die Empfindlichkeit der Schädigungsdetektion zu erhöhen, die ergänzende Charakterisierung, die multimodale Registrierung und Datenfusion der heterogenen Daten, sowie die bildverarbeitungsbasierte Schädigungslokalisierung und -bewertung. Mesoskalige Biegeresonanzprüfung ermöglicht das Erreichen des hochzyklischen Ermüdungszustands in vergleichsweise kurzen Zeitspannen bei gleichzeitig verbessertem Auflösungsvermögen der Schädigungsentwicklung. Je nach Komplexität der einzelnen Bildverarbeitungsaufgaben und Datenverfügbarkeit werden entweder regelbasierte Bildverarbeitungsverfahren oder Repräsentationslernen gezielt eingesetzt. So sorgt beispielsweise die semantische Segmentierung von Schädigungsstellen dafür, dass wichtige Ermüdungsmerkmale aus mikroskopischen Abbildungen extrahiert werden können. Entlang des Workflows wird auf einen hohen Automatisierungsgrad Wert gelegt. Wann immer möglich, wurde die Generalisierbarkeit einzelner Workflow-Elemente untersucht. Dieser Workflow wird auf einen ferritischen Stahl (EN 1.4003) angewendet. Der resultierende Datensatz verknüpft unter anderem große verzerrungskorrigierte Mikrostrukturdaten mit der Schädigungslokalisierung und deren zyklischer Entwicklung. Im Zuge der Arbeit wird der Datensatz wird im Hinblick auf seinen Informationsgehalt untersucht, indem detaillierte, analytische Studien zur einzelnen Schädigungsbildung durchgeführt werden. Auf diese Weise konnten unter anderem neuartige, quantitative Erkenntnisse über mikrostrukturinduzierte plastische Verformungs- und Rissstopmechanismen gewonnen werden. Darüber hinaus werden aus dem Datensatz abgeleitete kornweise Merkmalsvektoren und binäre Schädigungskategorien verwendet, um einen Random-Forest-Klassifikator zu trainieren und dessen Vorhersagegüte zu bewerten. Der vorgeschlagene Workflow hat das Potenzial, die Grundlage für künftiges Data Mining und datengetriebene Modellierung mikrostrukturempfindlicher Ermüdung zu legen. Er erlaubt die effiziente Erhebung statistisch repräsentativer Datensätze mit gleichzeitig hohem Informationsgehalt und kann auf eine Vielzahl von Werkstoffen ausgeweitet werden