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Informaticsand data science in materials microscopy 

Paul M. Voyles

Current Opinion inSolid State and Materials Science(2016)

采用各種顯微鏡方法表征的材料性質(zhì)的數據廣度、復雜度和體量正在顯著(zhù)擴大。結合不斷增長(cháng)的計算能力，材料顯微學(xué)數據中的信息學(xué)和數據科學(xué)技術(shù)應用將不斷增加，既提高了數據質(zhì)量，又提高了從數據中提取的材料信息。本文介紹了數據科學(xué)應用于材料顯微學(xué)中的最新進(jìn)展，包括去噪、漂移和畸變校正、光譜分解以及從顯微鏡數據中獲取材料信息的模擬實(shí)驗等問(wèn)題。涵蓋的技術(shù)有成分分析、聚類(lèi)、優(yōu)化和壓縮感知，舉例說(shuō)明需要結合若干信息學(xué)方法來(lái)解決的問(wèn)題和在信息學(xué)技術(shù)的幫助下材料顯微學(xué)取得的最新進(jìn)展。

圖1：基于斑塊的非局部去噪算法的過(guò)程示意圖，紅色斑塊是圖像去噪之后的一部分，藍色斑塊是圖像的其他包含相似強度模式的部。

圖2 ：利用BM3D法模擬Z-對比圖像的去噪：(a)包括適度掃描失真的無(wú)噪聲模擬STEM圖像;(b)在(a)中加入泊松噪聲，使得任何像素的峰值強度為15個(gè)電子;(c)在(a)中加入6電子峰值強度的泊松噪聲;(d)采用泊松最大似然法和局部區塊匹配的BM3D對圖像b去噪;(e)基于泊松BM3D和統一區塊匹配的去噪。

圖3：Ca穩定型Nd2/3TiO3的原子分辨級EDS成分地圖的去噪.(頂部)顯示Nd/Ca, Ti/O和O位置晶體結構的原子模型，以及在晶體中相似位置的HAADF STEM照片。右上角的孔是有意為之的基準標記。（第一列）整合O Kα, Cα Kα, Ti Kα, and Nd Lα光帶繪制的原始光譜圖。（下面的行）分別使用WPCA, NLPCA, NLM和BM3D進(jìn)行降噪獲得的圖。

圖4：BiFeO3基體中的CoFe2O4納米柱的復雜FORC-IV SPM電流-電壓數據的K-means聚類(lèi)。(a)確認數據在四個(gè)簇內的良好聚類(lèi);(b)4個(gè)簇的空間分布;(c)每個(gè)簇的平均FORC-IV曲線(xiàn)。

圖5：圖4數據的貝葉斯線(xiàn)性分解；（第一行）分解的個(gè)組分的I-V曲線(xiàn)，（第二行）四個(gè)不同組分的空間分布

圖6：對金納米粒子的Z-襯度STEM數據的遺傳算法改進(jìn)。(a)納米粒子的Z襯度STEM照片;(b)改進(jìn)之后的最終結構的模擬圖像;(c) 模擬過(guò)程中，成本函數C和它的兩個(gè)條件：能量和試驗擬合的演變;(d)在試驗和最終模擬STEM圖中的原子柱位置的位移直方圖。

隱石檢測擁有一批在業(yè)內取得顯著(zhù)成就的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，在行業(yè)內有著(zhù)豐富的檢測經(jīng)驗。秉承著(zhù)專(zhuān)注、專(zhuān)業(yè)、高效、想客戶(hù)所想的理念，公司積極增加項目和完善更先進(jìn)的測試儀器設備，保障每一個(gè)檢測，分析，研發(fā)任務(wù)優(yōu)質(zhì)高效的完成。同時(shí)通過(guò)專(zhuān)業(yè)所長(cháng),為全球數萬(wàn)家優(yōu)質(zhì)客戶(hù)提供最及時(shí)的行業(yè)技術(shù)標準信息，和更高精尖的分析檢測解決方案。

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