Optimizing the data collection and data processing procedure for 3D electron diffraction crystal structure analysis

Abstract

Å bestemme strukturen til krystallinske materialer er avgjørende for å forstå og optimalisere egenskapene deres. I løpet av de siste årene har effektiviteten og kvaliteten på strukturanalyse av små uorganiske materialer og organiske krystallinske molekyler blitt revolusjonert og betydelig forbedret ved introduksjonen av rotasjon 3D elektron diffraksjons (3D ED) metoder. 3D ED-teknikker er basert på konseptet om å orientere krystallen langs en vilkårlig retning med lav symmetri, rotere den rundt en fast vippeakse og samle inn en serie 2D-diffraksjonsmønstre med regelmessige intervaller.

Dette arbeidet dokumenterer de første stegene mot å etablere 3D ED som en teknikk ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU), der data samles inn på et eksisterende transmisjonselektronmikroskop (TEM) med en direkte elektron detektor (DED). Dataene innhentes ved hjelp av kontinuerlig rotasjonselektrondiffraksjon (cRED)-metoden, der krystallen roteres kontinuerlig, med den dedikerte programvaren Instamatic som kontrollerer TEMen og 2D DEDen. Ulike varianter av zeolitten mordenite (MOR) vil analyseres ved hjelp av 3D ED. Flere utenlandske forskergrupper har utviklet velprøvde protokoller for datainnsamling og -behandling for 3D ED, men det finnes foreløpig ingen standard behandlingsprotokoll. Databehandlingsarbeidsflyten som er undersøkt i dette arbeidet, er basert på programmene REDp, XDS, XPREP, EDtools, SHELXT, SHELXL og Olex2, hvorav de fleste av disse er veletablerte i røntgenstrukturanalysemiljøet. Strukturanalysen består av krystallstrukturbestemmelse, som omfatter resiprok rekonstruksjon fra 2D-mønsterserien, indeksering av diffraksjonspunkter, strukturløsning og videre strukturforbedring. Det endelige resultatet er en fullstendig rekonstruert 3D-modell av den studerte krystallen.

Det foreliggende arbeidet har to hovedmål. Det første målet er å etablere en databehandlingsprosedyre for 3D ED-krystallstrukturanalyse. Arbeidsflyten ble testet ved å bruke den på publiserte MOR-referansedatasett. Deretter ble det utviklet en brukerhåndbok som dekker den omfattende databehandlingsprosedyren, basert på resultatene og erfaringene fra testingen av referansedataene. Det andre målet er å optimalisere datainnsamlingsrutinen for det eksperimentelle oppsettet ved NTNU. Under behandlingen av disse eksperimentelle dataene ble det identifisert feil knyttet til de observerte intensitetene, for eksempel metning, i tillegg til tidsfeil ved opptak av defokuserte sporingsbilder med Instamatic og et inhomogent vippetrinn. Analysene resulterte likevel i nyttige innspill til optimalisering av datainnsamlingen. Basert på resultatene fra denne studien kommer vi med konkrete forslag til fremtidig arbeid.

For å oppsummere er dette arbeidet et viktig skritt mot å implementere 3D ED datainnsamling og -behandling for strukturanalyse ved NTNU. Funnene viser at selv om en vellykket databehandlingsprosedyre er etablert, gjenstår det fortsatt ytterligere forbedringer av datainnsamlingsprosedyren for å nå det endelige målet om en robust 3D ED-metode.

Determining the structure of crystalline materials is essential to understand and optimize their properties. Over the recent years, the efficiency and quality of structure analysis of small inorganic materials and organic crystalline molecules have been revolutionized by the introduction of rotational 3D electron diffraction (3D ED) methods. Rotational 3D ED techniques are based on the concept of orienting the crystal along an arbitrary low-symmetry direction, rotating it about a fixed tilt axis, and collecting a series of 2D diffraction patterns at regular intervals.

This work documents the first steps toward establishing 3D ED as a technique at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), where data is collected on an existing transmission electron microscope (TEM) with a direct electron detector (DED). The data are obtained through the continuos rotation electron diffraction (cRED) method, where the crystal is continuously tilted, with the dedicated software Instamatic controlling the TEM and the 2D DED. Different variants of the zeolite mordenite (MOR) are analyzed. Proven protocols for data acquisition and processing for 3D ED have been developed by several research groups abroad, however, there is currently no standard processing protocol. The data processing workflow investigated in this work is based on the programs REDp, XDS, XPREP, EDtools, SHELXT, SHELXL, and Olex2, of which most are well-established in the X-ray structural analysis community. Structure analysis consists of crystal structure determination, involving reciprocal reconstruction from the 2D pattern series, peak indexing, structure solution, and further structure refinement. The final result is a fully reconstructed 3D model of the studied crystal.

The present work has two main objectives. The first aim is to establish a data processing procedure for 3D ED crystal structure analysis. The workflow was successfully tested by application to published MOR reference datasets. A user manual covering the extensive data processing procedure was then developed based on the results and experiences from testing the reference data. The second aim is to optimize the data acquisition routine for the experimental setup at NTNU. During processing of this experimental data, errors were identified related to the observed intensities, such as saturation, in addition to timing errors in capturing defocused tracking frames with Instamatic, and an inhomogeneous tilt step. Nevertheless, the analyses resulted in useful input regarding data collection optimization. Concrete suggestions are made for future work based on the results of the present study.

To summarize, this work is an important step towards implementing 3D ED data acquisition and processing for structure analysis at NTNU. The findings show that even though a successful data processing procedure is established, further improvements to the data collection procedure still remain to reach the end goal of a robust 3D ED method.