4D scanning transmission electron microscopy
4D સ્કેનીંગ ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (4D STEM) એ સ્કેનીંગ ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (STEM) નો સબસેટ છે જે દરેક સ્કેન સ્થાન પર કન્વર્જન્ટ બીમ ઇલેક્ટ્રોન ડિફ્રેક્શન (CBED) પેટર્ન મેળવવા માટે પિક્સેલેટેડ ઇલેક્ટ્રોન ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ કરે છે. આ તકનીક વાસ્તવિક અવકાશમાં 2 પરિમાણીય પ્રદેશમાં બીમ રાસ્ટર તરીકે દરેક સ્કેન બિંદુ સાથે સંકળાયેલ 2 પરિમાણીય પારસ્પરિક અવકાશ છબી મેળવે છે, તેથી તેનું નામ 4D STEM છે. તેનો વિકાસ STEM ડિટેક્ટર્સમાં ઉત્ક્રાંતિ અને કોમ્પ્યુટેશનલ શક્તિમાં સુધારા દ્વારા સક્ષમ કરવામાં આવ્યો હતો. આ તકનીકમાં વિઝ્યુઅલ ડિફ્રક્શન ઇમેજિંગ, ફેઝ ઓરિએન્ટેશન અને સ્ટ્રેન મેપિંગ, ફેઝ કોન્ટ્રાસ્ટ એનાલિસિસ વગેરેમાં ઉપયોગો છે. 4D STEM નામ સાહિત્યમાં સામાન્ય છે, જો કે તે અન્ય નામોથી ઓળખાય છેઃ 4D STEM EELS, ND STEM (N-કારણ કે પરિમાણોની સંખ્યા 4 કરતા વધારે હોઈ શકે છે), સ્થિતિ ઉકેલાયેલા વિવર્તન (PRD), અવકાશી ઉકેલાયેલા વિવર્તન, વેગ-ઉકેલાયેલા STEM, "નેનોબીમ ચોકસાઇ ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન", સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન નેનો વિવર્તન, નેનોબીમ ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન અથવા પિક્સેલેટેડ STEM. ઇતિહાસ એ પ્રારંભિક ઉદાહરણોમાંનું એક છે જ્યાં પ્રોબ પોઝિશનના કાર્ય તરીકે વિવર્તન પેટર્નનું વિશ્લેષણ 1995 માં કરવામાં આવ્યું હતું, જ્યાં પીટર નેલિસ્ટ, બી. સી. મેકકલમ અને જ્હોન રોડેનબર્ગે સ્ફટિકીય સિલિકોનનું ઇલેક્ટ્રોન પિટિચોગ્રાફી વિશ્લેષણ કરવાનો પ્રયાસ કર્યો. ટ્રેસી અને ગિબ્સન દ્વારા 1996માં પ્રસ્તાવિત ફ્લકચ્યુએશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (FEM) તકનીકમાં આપેલ નમૂના પર વિવિધ સ્થળોએ લેવામાં આવેલી છબીઓ અથવા વિવર્તન પેટર્નમાં તફાવતનું માત્રાત્મક વિશ્લેષણ પણ સામેલ હતું. તે સમયે ઉપલબ્ધ ડિટેક્ટર્સની મર્યાદિત ક્ષમતાઓને કારણે 4D STEMનું ક્ષેત્ર અવિકસિત રહ્યું હતું. ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) માં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા CCD ડિટેક્ટર્સમાં મર્યાદિત ડેટા સંપાદન દર હતા, ડિટેક્ટર પર ઇલેક્ટ્રોન ઉચ્ચ ચોકસાઈ સાથે ક્યાં અથડાય છે તે અલગ કરી શકતા ન હતા, અને ઓછી ગતિશીલ શ્રેણી હતી જેણે તેમને 4D STEM માં ઉપયોગ માટે અનિચ્છનીય બનાવી હતી. 2010 ના દાયકાના અંતમાં, સિંગલ ઇલેક્ટ્રોન સંવેદનશીલતા, ઉચ્ચ ગતિશીલ શ્રેણી અને ઝડપી રીડઆઉટ ઝડપ સાથે વર્ણસંકર પિક્સેલ એરે ડિટેક્ટર્સ (PAD) ના વિકાસને વ્યવહારુ 4D STEM પ્રયોગો માટે મંજૂરી આપવામાં આવી હતી. સંચાલન સિદ્ધાંત જ્યારે 4D STEMમાં ડેટા સંગ્રહની પ્રક્રિયા પ્રમાણભૂત STEM જેવી જ હોય છે, ત્યારે દરેક તકનીક વિવિધ ડિટેક્ટર્સનો ઉપયોગ કરે છે અને વિવિધ ડેટા એકત્રિત કરે છે. 4D STEMમાં પાછળના ફોકલ પ્લેન પર સ્થિત પિક્સેલેટેડ ઇલેક્ટ્રોન ડિટેક્ટર હોય છે જે દરેક સ્કેન સ્થાન પર CBED પેટર્ન એકત્રિત કરે છે. પારસ્પરિક જગ્યામાં વિસ્તાર પસંદ કરીને અને દરેક CBED પેટર્નમાં તે વિસ્તારની સરેરાશ તીવ્રતાને વાસ્તવિક જગ્યા પિક્સેલને સોંપીને નમૂનાની છબી CBED પેટર્નમાંથી બનાવી શકાય છે. (એન) એ. ડી. એફ. અથવા એચ. એ. એ. ડી. એફ. છબી સીબીઈડી પેટર્ન સંગ્રહ સાથે એક સાથે લેવામાં આવે તે પણ સામાન્ય બાબત છે. લેવામાં આવેલી શ્યામ-ક્ષેત્રની છબી કેપ્ચર કરેલી સીબીઈડી છબીઓમાંથી બનાવવામાં આવેલી તેજસ્વી-ક્ષેત્રની છબીની પૂરક છે. મધ્યમાં છિદ્ર સાથે હોલો ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ સ્કેન કરતી વખતે પ્રસારિત ઇલેક્ટ્રોનને EELS ડિટેક્ટરમાં પસાર કરવાની મંજૂરી આપી શકે છે. આ રાસાયણિક વર્ણપટ માહિતી અને માળખાની માહિતીના એક સાથે સંગ્રહ માટે પરવાનગી આપે છે. પરંપરાગત TEMમાં, ઇમેજિંગ ડિટેક્ટર્સ ઇલેક્ટ્રોનને શોધવા માટે ચાર્જ કપલ્ડ ડિવાઇસ (CCD) સાથે જોડાયેલા ફોસ્ફોરેસેન્ટ સિન્ટિલેટરનો ઉપયોગ કરે છે. જ્યારે આ ઉપકરણોમાં સારી ઇલેક્ટ્રોન સંવેદનશીલતા હોય છે, ત્યારે તેમાં 4D STEM માટે જરૂરી રીડઆઉટ ઝડપ અને ગતિશીલ શ્રેણીનો અભાવ હોય છે. વધુમાં, સિન્ટિલેટર સાથે ઇલેક્ટ્રોનની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે સિન્ટિલેટરનો ઉપયોગ ડિટેક્ટરના પોઇન્ટ સ્પ્રેડ ફંક્શન (પીએસએફ) ને વધુ ખરાબ કરી શકે છે, જેના પરિણામે સંકેત વિસ્તૃત થાય છે. તેનાથી વિપરીત, પરંપરાગત કુંડલાકાર STEM ડિટેક્ટર્સમાં જરૂરી રીડઆઉટ ઝડપ હોય છે, પરંતુ સંપૂર્ણ CBED પેટર્ન એકત્રિત કરવાને બદલે ડિટેક્ટર એકત્રિત તીવ્રતાને એક જ ડેટા પોઇન્ટમાં ખૂણાઓની શ્રેણીમાં એકીકૃત કરે છે. 2010ના દાયકામાં સિંગલ ઇલેક્ટ્રોન સંવેદનશીલતા, ઝડપી રીડઆઉટ ઝડપ અને ઉચ્ચ ગતિશીલ શ્રેણી સાથે પિક્સેલેટેડ ડિટેક્ટર્સના વિકાસથી 4D STEMને એક વ્યવહારુ પ્રાયોગિક પદ્ધતિ તરીકે સક્ષમ બનાવ્યું છે. 4D STEM ડિટેક્ટર્સ સામાન્ય રીતે મોનોલિથિક એક્ટિવ પિક્સેલ સેન્સર (MAPS) અથવા હાઇબ્રિડ પિક્સેલ એરે ડિટેક્ટર (PAD) તરીકે બનાવવામાં આવે છે. મોનોલિથિક સક્રિય પિક્સેલ સેન્સર (એમ. એ. પી. એસ.) એક એમ. એ. પી. એસ. ડિટેક્ટરમાં પૂરક મેટલ-ઓક્સાઇડ-સેમિકન્ડક્ટર (સી. એમ. ઓ. એસ.) ચિપ હોય છે, જે ડોપ્ડ એપિટેક્સિયલ સપાટી સ્તર સાથે જોડાયેલી હોય છે, જે ઉચ્ચ ઊર્જા ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોનને ઘણા ઓછા ઊર્જા ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોનમાં રૂપાંતરિત કરે છે, જે ડિટેક્ટર સુધી નીચે જાય છે. એમ. એ. પી. એસ. ડિટેક્ટર્સ કિરણોત્સર્ગને સખત કરવા જોઈએ કારણ કે ઉચ્ચ ઊર્જા ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોનના સીધા સંપર્કમાં આવવાથી કિરણોત્સર્ગને નુકસાન પહોંચાડવું એ મુખ્ય ચિંતાનો વિષય છે. તેની અખંડ પ્રકૃતિ અને સીધી ડિઝાઇનને કારણે, એમએપીએસ ડિટેક્ટર્સ 4000 x 4000 ના ક્રમમાં ઉચ્ચ પિક્સેલ ઘનતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે. આ ઉચ્ચ પિક્સેલ ઘનતા જ્યારે નીચા ઇલેક્ટ્રોન ડોઝ સાથે જોડવામાં આવે છે ત્યારે તે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ઇમેજિંગ માટે સિંગલ ઇલેક્ટ્રોન ગણતરીને સક્ષમ કરી શકે છે. વધુમાં, એમએપીએસ ડિટેક્ટર્સમાં ઇલેક્ટ્રોન ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા અને ઝડપી રીડઆઉટ ઝડપ હોય છે, પરંતુ તે મર્યાદિત ગતિશીલ શ્રેણીથી પીડાય છે. પિક્સેલ એરે ડિટેક્ટર (પી. એ. ડી.) પી. એ. ડી. ડિટેક્ટર્સમાં એક સંકલિત સર્કિટ સાથે બંધાયેલ ફોટોડાયોડ બમ્પ હોય છે, જ્યાં દરેક સોલ્ડર બમ્પ ડિટેક્ટર પર એક જ પિક્સેલનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. આ ડિટેક્ટર્સમાં સામાન્ય રીતે 128 x 128 ના ક્રમમાં ઓછી પિક્સેલ ઘનતા હોય છે પરંતુ 32 બિટ્સના ક્રમમાં ઘણી વધારે ગતિશીલ શ્રેણી પ્રાપ્ત કરી શકે છે. આ ડિટેક્ટર્સ 1 એમએસ/પિક્સેલના ક્રમમાં પ્રમાણમાં ઊંચી રીડઆઉટ ઝડપ પ્રાપ્ત કરી શકે છે પરંતુ એસટીઇએમમાં તેમના કુંડલાકાર ડિટેક્ટર સમકક્ષોની તુલનામાં હજુ પણ અભાવ છે જે 10 માઇક્રોએસ/પિક્સેલના ક્રમમાં રીડઆઉટ ઝડપ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. ડિટેક્ટર અવાજની કામગીરીને ઘણીવાર તેની ડિટેક્ટીવ ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા (DQE) દ્વારા માપવામાં આવે છે જેને આ રીતે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છેઃ જ્યાં આઉટપુટ સિગ્નલ અને અવાજ ગુણોત્તરનો વર્ગ હોય છે અને તે ઇનપુટ સિગ્નલ અને અવાજ ગુણોત્તરનો વર્ગ હોય છે. આદર્શ રીતે સેન્સરનું DQE 1 છે જે સૂચવે છે કે સેન્સર શૂન્ય અવાજ પેદા કરે છે. એમ. એ. પી. એસ., એ. પી. એસ. અને અન્ય ડાયરેક્ટ ઇલેક્ટ્રોન ડિટેક્ટર્સના ડી. ક્યુ. ઇ. તેમના સી. સી. ડી. કેમેરા સમકક્ષો કરતા વધારે હોય છે. કોમ્પ્યુટેશનલ પદ્ધતિઓ 4D STEMમાં એક મુખ્ય મુદ્દો એ છે કે આ તકનીક દ્વારા એકત્રિત કરવામાં આવેલી માહિતીનો મોટો જથ્થો છે. સ્કેનીંગના એક કલાક દરમિયાન ઉત્પાદિત 100 થી વધુ ટીબી ડેટા સાથે, સુસંગત માહિતી શોધવી પડકારજનક છે અને અદ્યતન ગણતરીની જરૂર છે. આવા મોટા ડેટાસેટ્સનું વિશ્લેષણ ખૂબ જ જટિલ હોઈ શકે છે અને આ ડેટાની પ્રક્રિયા કરવા માટે ગણતરીની પદ્ધતિઓ વિકસાવવામાં આવી રહી છે. 4D STEM ના વિશ્લેષણ માટે ઘણી કોડ રીપોઝીટરીઓ હાલમાં વિકાસમાં છે જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ હાયપરસ્પાય, લિબર TEM, પાયક્રોસ્કોપી અને. આ મોટા ડેટા સમૂહો TEM પ્રયોગોમાં આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સ (AI) અને મશીન લર્નિંગ (એમએલ) અલ્ગોરિધમ્સના અમલીકરણને સક્ષમ કરી શકે છે, જ્યાં માઇક્રોસ્કોપિસ્ટ્સ દ્વારા સામાન્ય રીતે ધ્યાનમાં લેવામાં આવતી પેટર્નને AI દ્વારા જાહેર કરી શકાય છે. જ્યારે શારીરિક રીતે અર્થપૂર્ણ માળખામાં આધારિત હોય, ત્યારે એ. આઈ. અને એમ. એલ. મોટા STEM ડેટાસેટ્સમાં સુવિધા શોધવામાં ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા તરફ દોરી શકે છે. લાક્ષણિકતાઓની ઓળખ ઉપરાંત, એ. આઈ. અને એમ. એલ. તેના અસરકારક અનુમાનિત ખર્ચ વિશ્લેષણને કારણે પ્રાયોગિક ડિઝાઇનને જાણ કરવામાં પણ મદદ કરી શકે છે. જો કે, આ પ્રકારના AI સંચાલિત વિશ્લેષણ માટે તાલીમ આપવા માટે માહિતીના ડેટાબેઝની જરૂર પડે છે, જેના પર હાલમાં અસ્તિત્વ નથી. વધુમાં, માહિતીની ગુણવત્તા માટે મેટ્રિક્સનો અભાવ, વિવિધ ઉત્પાદકોમાં નબળા ક્રોસ-પ્લેટફોર્મ સપોર્ટને કારણે મર્યાદિત માપનીયતા અને વિશ્લેષણ અને પ્રાયોગિક પદ્ધતિઓમાં માનકીકરણનો અભાવ વિવિધ ડેટાસેટ્સમાં તુલનાત્મકતા તેમજ પુનઃઉત્પાદનક્ષમતાના પ્રશ્નો ઉભા કરે છે. પસંદ કરેલી એપ્લિકેશનો 4D STEM નો ઉપયોગ એપ્લિકેશનોની વિશાળ શ્રેણીમાં કરવામાં આવ્યો છે, સૌથી સામાન્ય ઉપયોગોમાં વર્ચ્યુઅલ ડિફ્રેક્શન ઇમેજિંગ, ઓરિએન્ટેશન અને સ્ટ્રેન મેપિંગ અને ફેઝ કોન્ટ્રાસ્ટ એનાલિસિસનો સમાવેશ થાય છે જે નીચે આવરી લેવામાં આવ્યા છે. આ તકનીકનો ઉપયોગ મધ્યમ શ્રેણી ક્રમ માપન, ઉચ્ચ ક્રમ લાઉ ઝોન (HOLZ) ચેનલિંગ કોન્ટ્રાસ્ટ ઇમેજિંગ, પોઝિશન એવરેજ CBED, ફ્લકચ્યુએશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી, બાયોમટેરિયલ્સ કેરેક્ટરાઇઝેશન અને તબીબી ક્ષેત્રો (ફાર્માસ્યુટિકલ સામગ્રીનું માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર અને પેપ્ટાઇડ સ્ફટિકોની ઓરિએન્ટેશન મેપિંગ) માં પણ કરવામાં આવ્યો છે. આ સૂચિ કોઈ પણ રીતે સંપૂર્ણ નથી અને આ ક્ષેત્ર હજુ પણ પ્રમાણમાં યુવાન હોવાથી વધુ એપ્લિકેશનો સક્રિય રીતે વિકસાવવામાં આવી રહી છે. વર્ચ્યુઅલ વિવર્તન ઇમેજિંગ વર્ચ્યુઅલ વિવર્તન ઇમેજિંગ એ વિવર્તન પેટર્નમાંથી વાસ્તવિક અવકાશ છબીઓ બનાવવા માટે વિકસાવવામાં આવેલી પદ્ધતિ છે. આ તકનીકનો ઉપયોગ 90ના દાયકાથી સામગ્રી માળખાને લાક્ષણિકતા આપવા માટે કરવામાં આવે છે પરંતુ તાજેતરમાં 4D STEM કાર્યક્રમોમાં લાગુ કરવામાં આવી છે. આ તકનીકને ઘણીવાર સ્કેનીંગ ઇલેક્ટ્રોન નેનો વિવર્તન (સેન્ડ) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે જેમાં ચુંબકીય કોઇલની 4 જોડીનો ઉપયોગ કન્વર્જ્ડ પ્રોબને નમાવવા અને સપાટી પર બીમ દોરવા માટે થાય છે. "વર્ચ્યુઅલ ડિટેક્ટર" એ ડિટેક્ટર બિલકુલ નથી, પરંતુ ડેટા પ્રોસેસિંગની એક પદ્ધતિ છે જે તેજસ્વી-ક્ષેત્ર અને શ્યામ-ક્ષેત્રની છબીઓ બનાવવા માટે દરેક રાસ્ટર સ્થિતિ પર વિવર્તન પેટર્નમાં પિક્સેલ્સના સબસેટને એકીકૃત કરે છે. આ છબીઓની પ્રક્રિયા પહેલા તમામ સ્કેન પર વિવર્તન પેટર્નની સરેરાશ દ્વારા કરવામાં આવે છે. પછી વિવર્તન પેટર્નમાં રસનો વિસ્તાર પસંદ કરવામાં આવે છે, ઘટાડેલા ડેટાસેટ પર વર્ચ્યુઅલ છિદ્ર દોરવામાં આવે છે, અને છબી કોમ્પ્યુટેશનલ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવે છે. આ વર્ચ્યુઅલ છિદ્ર ઇચ્છિત કોઈપણ કદ/આકાર હોઈ શકે છે અને એક જ સ્કેનમાંથી એકત્રિત કરવામાં આવેલા 4D ડેટાસેટનો ઉપયોગ કરીને બનાવી શકાય છે. વિવિધ છિદ્રોનું અનુકરણ કરવાની આ ક્ષમતા 4D STEM પદ્ધતિઓ દ્વારા સક્ષમ કરવામાં આવે છે અને પરંપરાગત STEM કામગીરીમાં લાક્ષણિક નબળાઈઓને દૂર કરે છે કારણ કે STEM બ્રાઇટ-ફિલ્ડ અને ડાર્ક-ફિલ્ડ ડિટેક્ટર્સ નિશ્ચિત ખૂણાઓ પર મૂકવામાં આવે છે અને ઇમેજિંગ દરમિયાન બદલી શકાતા નથી. 4D ડેટાસેટ સાથે તેજસ્વી/શ્યામ-ક્ષેત્રની છબીઓ અનુક્રમે વિવર્તન અને પ્રસારિત બીમમાંથી વિવર્તનની તીવ્રતાને એકીકૃત કરીને મેળવી શકાય છે. આ પેટર્નમાંથી છબીઓ બનાવવાથી નેનોમીટર રિઝોલ્યુશન મળી શકે છે અને તેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે નેનો સામગ્રીની રચનાને લાક્ષણિકતા આપવા માટે થાય છે. આ વિવર્તન પેટર્નને અનુક્રમિત કરી શકાય છે અને ઓરિએન્ટેશન અને ફેઝ મેપિંગ માટે વિશ્લેષણ કરી શકાય છે, જ્યાં વાસ્તવિક જગ્યા છબીઓ સ્કેનમાંથી બનાવી શકાય છે. 4ડી સ્ટેમમાં વર્ચ્યુઅલ ઇમેજિંગ કરવાના ફાયદાઓમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ પરંપરાગત ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપીમાં શક્ય ન હોય તેવી ડિટેક્ટર ભૂમિતિઓને સક્ષમ કરવી, ડિટેક્ટરને અથડાતા કોઈપણ ખૂણા પર વેરવિખેર ઇલેક્ટ્રોનનો ચોક્કસ ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપવી, છબીઓ પર અવાજ માટે સંકેતમાં સુધારો કરવો અને નમૂના વળાંક/ગતિશીલ સ્કેટરિંગ ઇવેન્ટ્સ સામે પ્રતિકાર કરવો. 4D STEM નો ઉપયોગ ઇન્ટરફેસોને મેપ કરવા, વિસ્તૃત શ્યામ ક્ષેત્રની છબીઓ બનાવવા માટે વિવર્તન સમતલના પસંદ કરેલા વિસ્તારોમાંથી તીવ્રતા પસંદ કરવા, નેનોસ્કેલ અવક્ષેપોની સ્થિતિને મેપ કરવા, બીમ સંવેદનશીલ બેટરી કેથોડ સામગ્રીના તબક્કાના નકશા બનાવવા અને ધાતુ-કાર્બનિક માળખા (એમઓએફ) માં સ્ફટિકીયતાની માત્રાને માપવા માટે કરવામાં આવે છે. ફેઝ ઓરિએન્ટેશન મેપિંગ ફેઝ ઓરિએન્ટેશન મેપિંગ સામાન્ય રીતે SEM માં ઇલેક્ટ્રોન બેક સ્કેટર્ડ ડિફ્રેક્શન સાથે કરવામાં આવે છે જે પોલિક્રિસ્ટલાઇન સામગ્રીમાં ગ્રેઇન ઓરિએન્ટેશનના 2D નકશા આપી શકે છે. આ તકનીક TEMમાં કિકુચી રેખાઓનો ઉપયોગ કરીને પણ કરી શકાય છે, જે ગાઢ નમૂનાઓ માટે વધુ લાગુ પડે છે કારણ કે કિકુચી રેખાઓની રચના ફેલાયેલા સ્કેટરિંગ પર આધાર રાખે છે. વૈકલ્પિક રીતે, TEMમાં કોઈ પણ વ્યક્તિ મોટી સંખ્યામાં વિવર્તન પેટર્નને રેકોર્ડ કરવા માટે પ્રીસેશન ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન (PED) નો ઉપયોગ કરી શકે છે અને જાણીતી પેટર્નની સરખામણી દ્વારા, તેમાં અનાજની સંબંધિત દિશા નક્કી કરી શકાય છે. 4D STEM નો ઉપયોગ બ્રેગ સ્પોટ ઇમેજિંગ નામની તકનીકમાં દિશા નિર્દેશોનો નકશો બનાવવા માટે પણ થઈ શકે છે. પરંપરાગત TEM તકનીકોનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે 4D STEM અભિગમ કરતાં વધુ સારા રિઝોલ્યુશનમાં પરિણમે છે પરંતુ ઉચ્ચ તાણવાળા વિસ્તારોમાં નિષ્ફળ થઈ શકે છે કારણ કે DP ખૂબ વિકૃત થઈ જાય છે. બ્રેગ સ્પોટ ઇમેજિંગમાં, પ્રથમ સહસંબંધ વિશ્લેષણ પદ્ધતિ 0 (કોઈ સહસંબંધ નથી) અને 1 (ચોક્કસ મેળ) વચ્ચે સહસંબંધ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને જૂથ વિવર્તન પેટર્ન (DP) માટે કરવામાં આવે છે; પછી DP ને સહસંબંધ થ્રેશોલ્ડનો ઉપયોગ કરીને તેમના સહસંબંધ દ્વારા જૂથબદ્ધ કરવામાં આવે છે. પછી દરેક જૂથમાંથી સહસંબંધની છબી મેળવી શકાય છે. દરેક જૂથમાંથી એકંદર પ્રતિનિધિ વિવર્તન નમૂનો મેળવવા માટે આનો સારાંશ અને સરેરાશ કરવામાં આવે છે. વિવિધ દિશાઓને રંગો સોંપી શકાય છે જે વ્યક્તિગત અનાજ દિશાઓને જોવામાં મદદ કરે છે. યોગ્ય ઝુકાવ અને પ્રીસેશન ઇલેક્ટ્રોન ડિફ્રેક્શન (પી. ઈ. ડી.) નો ઉપયોગ કરીને અનાજની દિશા અને વિતરણનું 3ડી ટોમોગ્રાફિક રેન્ડરિંગ કરવું પણ શક્ય છે. આ તકનીક કોમ્પ્યુટેશનલ રીતે સઘન હોવાથી, તાજેતરના પ્રયાસો વિવર્તન પેટર્નના વિશ્લેષણ માટે મશીન લર્નિંગ અભિગમ પર કેન્દ્રિત છે. સ્ટ્રેઇન મેપિંગ TEM સ્થાનિક તાણને માપી શકે છે અને તેનો ઉપયોગ ઘણીવાર કન્ડેન્સ્ડ બીમ ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન (CBED) નો ઉપયોગ કરીને નમૂનાઓમાં તાણને માપવા માટે થાય છે. આ તકનીકનો આધાર જાળીના પરિમાણમાં ફેરફારો જોવા માટે નમૂનાના વિવર્તન પેટર્નના અનિયંત્રિત પ્રદેશની તાણવાળા પ્રદેશ સાથે સરખામણી કરવાનો છે. STEM સાથે, નમૂનાના વિસ્તારમાંથી વિક્ષેપિત ડિસ્કની સ્થિતિ અવકાશી તાણની માહિતી પ્રદાન કરી શકે છે. 4D STEM ડેટાસેટ્સ સાથેની આ તકનીકના ઉપયોગમાં એકદમ સંકળાયેલી ગણતરીઓનો સમાવેશ થાય છે. સેન્ડનો ઉપયોગ કરીને, તેજસ્વી અને શ્યામ ક્ષેત્રની છબીઓ અનુક્રમે સીધા અને વિવર્તન બીમના એકીકરણ દ્વારા વિવર્તન પેટર્નમાંથી મેળવી શકાય છે, જેમ કે અગાઉ ચર્ચા કરવામાં આવી છે. 4ડી સ્ટેમ કામગીરી દરમિયાન એ. ડી. એફ. ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ માપ દરમિયાન વિવર્તન સાથે તપાસના સ્થાનને સાંકળવા માટે મોટા ખૂણાઓ પર વેરવિખેર ઇલેક્ટ્રોનના સંગ્રહ દ્વારા રસના ચોક્કસ પ્રદેશની કલ્પના કરવા માટે થઈ શકે છે. રીઝોલ્યુશન અને તાણની માહિતી વચ્ચે ટ્રેડઓફ છે; કારણ કે મોટા પ્રોબ્સ મોટા જથ્થામાં સરેરાશ તાણ માપન કરી શકે છે, પરંતુ નાના પ્રોબ કદ તરફ આગળ વધવાથી ઉચ્ચ વાસ્તવિક જગ્યા રીઝોલ્યુશન મળે છે. આ મુદ્દાનો સામનો કરવાની રીતો છે જેમ કે દૃશ્યના ક્ષેત્રને વધારવા માટે રિઝોલ્યુશન મર્યાદાથી વધુ અંતરની તપાસ. આ સ્ટ્રેન મેપિંગ તકનીકને ઘણી સ્ફટિકીય સામગ્રીઓમાં લાગુ કરવામાં આવી છે અને તેને અર્ધ-સ્ફટિકીય અને આકારહીન સામગ્રી (જેમ કે ધાતુના ચશ્મા) સુધી વિસ્તૃત કરવામાં આવી છે કારણ કે તે પણ ઉચ્ચ તાણના વિસ્તારોમાં સરેરાશ અણુ અંતરથી વિચલન દર્શાવે છે તબક્કો વિરોધાભાસ વિશ્લેષણ વિભેદક તબક્કો વિરોધાભાસ વિભેદક તબક્કો વિપરીત ઇમેજિંગ તકનીક (ડી. પી. સી.) નો ઉપયોગ દરેક સ્કેન બિંદુ પર ક્ષેત્ર દ્વારા થતા ઇલેક્ટ્રોન બીમના વળાંકને માપવા દ્વારા નમૂનાઓમાં સ્થાનિક ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ક્ષેત્રનો નકશો બનાવવા માટે STEM માં થઈ શકે છે. પરંપરાગત રીતે બીમની હિલચાલને વિભાજીત કુંડલાકાર ક્ષેત્ર ડિટેક્ટર્સનો ઉપયોગ કરીને ટ્રેક કરવામાં આવતી હતી જે બીમની આસપાસ હોય છે. વિભાજીત ડિટેક્ટર્સ સાથે ડી. પી. સી. અણુ રીઝોલ્યુશન સુધી હોય છે. 4D STEMમાં પિક્સેલેટેડ ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ અને CBED પેટર્નના "સેન્ટર ઓફ માસ" ની હિલચાલને ટ્રેક કરવા માટે કમ્પ્યુટરનો ઉપયોગ સેગમેન્ટેડ ડિટેક્ટર્સનો ઉપયોગ કરીને જોવા મળતા તુલનાત્મક પરિણામો પ્રદાન કરે છે. 4D STEM નમૂના અભિગમ સાથે સંરેખિત કરવા માટે વિભાજીત ડિટેક્ટરને ફેરવવાની જરૂર વગર તમામ દિશાઓ સાથે તબક્કા પરિવર્તન માપનને માપવા માટે પરવાનગી આપે છે. સ્થાનિક વિદ્યુત ક્ષેત્રની સમાંતર સ્થાનિક ધ્રુવીકરણને માપવાની ક્ષમતા પણ 4D STEM સાથે દર્શાવવામાં આવી છે. 4D STEM સાથે DPC ઇમેજિંગ ખંડીય ડિટેક્ટર્સ સાથે DPC કરતાં તીવ્રતાના 2 ઓર્ડર સુધી ધીમું છે અને મોટા ચાર-પરિમાણીય ડેટાસેટ્સનું અદ્યતન વિશ્લેષણ જરૂરી છે. 4D STEM ડેટાસેટમાં હાજર ઓવરલેપિંગ CBED માપન પીટીકોગ્રાફી તકનીકનો ઉપયોગ કરીને જટિલ ઇલેક્ટ્રોન પ્રોબ અને જટિલ નમૂનાની ક્ષમતાના નિર્માણ માટે પરવાનગી આપે છે. 4D STEM ડેટા સાથે પીટીકોગ્રાફિક પુનર્નિર્માણ એ. ડી. એફ., બી. એફ., એ. બી. એફ. અને STEMમાં વિભાજિત ડી. પી. સી. ઇમેજિંગ કરતાં વધુ વિપરીતતા પ્રદાન કરે છે. 4D STEM હેઠળ આ તકનીકનો ઉચ્ચ સંકેત-થી-ઘોંઘાટ ગુણોત્તર તેને જૈવિક નમૂનાઓ જેવા કિરણોત્સર્ગના સંવેદનશીલ નમૂનાઓના ઇમેજિંગ માટે આકર્ષક બનાવે છે. મધ્યમાં એક છિદ્ર સાથે પિક્સેલેટેડ ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ વિખેરાયેલા ઇલેક્ટ્રોન બીમને સ્પેક્ટ્રોમીટરમાં પસાર થવા દેવા માટે દર્શાવવામાં આવ્યું છે, જે 4D STEMમાં રાસાયણિક વિશ્લેષણ સાથે જોડાણમાં ટાઈકોગ્રાફિક વિશ્લેષણને મંજૂરી આપે છે. MIDI STEM આ તકનીક MIDI-STEM (મેળ ખાતી ઇલ્યુમિનેશન અને ડિટેક્ટર ઇન્ટરફેરોમેટ્રી-STEM), ઓછી સામાન્ય હોવા છતાં, ઉચ્ચ વિપરીત તબક્કાની છબીઓ બનાવવા માટે પીટીકોગ્રાફી સાથે વપરાય છે. છિદ્ર બનાવતા પ્રોબમાં 0 અને π/2 ફેઝ શિફ્ટના ઝોન સાથે ફેઝ પ્લેટની પ્લેસમેન્ટ પરિણામી CBED પેટર્નમાં કેન્દ્રિત રિંગ્સની શ્રેણી બનાવે છે. 0 અને π/2 પ્રદેશો વચ્ચેની ગણતરીમાં તફાવત સ્થાનિક નમૂનાના તબક્કાના સીધા માપન માટે પરવાનગી આપે છે. વિવિધ પ્રદેશોમાં ગણતરીઓને જટિલ પ્રમાણભૂત ડિટેક્ટર ભૂમિતિઓ અથવા 4D STEMમાં પિક્સેલેટેડ ડિટેક્ટરના ઉપયોગ દ્વારા માપી શકાય છે. પિક્સેલેટેડ ડિટેક્ટર્સ અણુ રીઝોલ્યુશન સાથે આ તકનીકનો ઉપયોગ કરે છે તેવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. (MIDI)-STEM ડી. પી. સી. અથવા પીટીકોગ્રાફી કરતાં ઓછી હાઇ-પાસ ફિલ્ટરિંગ સાથે ઇમેજ કોન્ટ્રાસ્ટ માહિતી ઉત્પન્ન કરે છે પરંતુ તે તકનીકો કરતાં ઉચ્ચ અવકાશી આવર્તન પર ઓછી કાર્યક્ષમ છે. (MIDI)-ટાઇપોગ્રાફી સાથે જોડાણમાં ઉપયોગમાં લેવાતી STEM વ્યક્તિગત રીતે બંને તકનીકો કરતાં વિપરીત માહિતી પ્રદાન કરવામાં વધુ કાર્યક્ષમ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આ પણ જુઓ ઇલેક્ટ્રોન બીમ પ્રેરિત ડિપોઝિશન ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) સ્કેનિંગ ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (STEM) એનર્જી ફિલ્ટર ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (EFTM) હાઇ-રિઝોલ્યુશન ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (HRTM) સ્કેનિંગ કોન્ફોકલ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SCEM) સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (SEM) ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી માટે ડિટેક્ટર્સ સંદર્ભો ઇલેક્ટ્રોન બીમ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી તકનીકો