Phase and orientation analysis of powder TEM minerals by scanning precession electron diffraction.

Abstract

Denne oppgaven tar for seg utfordringene ved å studere mineraler på nanoskala ved bruk av transmisjonselektronmikroskop (TEM). Selv om TEM har eksepsjonell oppløsning, diffraksjon og kjemisk analyse, er det spesifikke utfordringer. Mange relevante mineraler er strålefølsomme, inhomogene og har kompleks krystallografi i forhold til godt studerte tekniske materialer. Dette arbeidet bruker sveipepresesjonselektrondiffraksjon (SPED) som en lavdoseteknikk i tillegg å reduserer dynamiske intensitetsvariasjoner på grunn av tykkelsesvariasjoner i prøven. En eksempelmodell av pulverisert kvarts og muskovitt ble laget for denne oppgaven. Krystallfasen og -orienteringen ble funnet ved hjelp av mønstersammenligning basert på åpen kildekode. Sveip ble samlet ved forskjellige projeksjoner ved bruk av X-tilt på 0, 5, 10 og 20 grader.

Hovedfokuset i oppgaven var å optimalisere databehandlingen for denne spesifikke eksempelmodellen. På grunn av den varierende tykkelsen, viste det seg at databehandlingen til eksperimentelle mønstre ble avgjørende og betydelig for nøyaktigheten av resultatene. To distinkte databehandlingsmetoder ble utviklet og sammenlignet: en basert på å finne toppunkt, og en på et konvolusjonelt nevralt nettverk (KNN). Toppfinningsmetoden viste høy nøyaktighet, men var subjektiv på grunn av at den er brukeravhengig og tykkelsesavhengig. KNN, trent til å identifisere refleksjoner i diffraksjonsmønsteret (DP), er helautomatisk og mer presis, spesielt nær grensene og i store tykkelsesgradienter.

Fasekartlegging av muskovitt og kvarts var grei for begge de optimaliserte databehandlingene for de fleste områder, med unntak av tykke områder. Fasene kunne bli bekreftet med energidispersivrøntgenspektroskopi (EDX) som en uavhengig metode. Kvarts var flekkete i orienteringskartene på grunn av pseudosymmetri. Det viste seg at DP-er fra krystallorienteringene med en tredje Eulervinkel Ψ og 60 - Ψ er nesten speilet i forhold til hverandre. Unøyaktigheten på grunn av pseudosymmetri ble redusert ved å bruke kart tatt ved flere tilt. Det var mer utfordrende å finne den nøyaktige orienteringen til muskovitt. Dette skyldtes muskovittens større tykkelsesgradient og svakere spredninger, som førte til et dårlig signal-støy-forhold. Videre har muskovitten overlappene partikler. Overlappingen kan i prinsippet håndteres av ikke-negativ matrisefaktorisering (NMF), som er demonstrert for overlappende kvarts. Imidlertid, for muskovittområder var variasjonen i mønstre for stor til å oppnå konsistente og robuste kornsegmentering ved overlapp.

For å oppsummere, mønstersammenligning på SPED-datasett viste seg å fungere for pulverisert kvarts og muskovitt hvis utfordringene som tykkelsesvariasjoner takles ved å optimalisere databehandlingen.

This thesis addresses the difficulties of studying nanoscale minerals by transmission electron microscope (TEM). Although TEM has exceptional resolution, imaging, dif- fraction, and chemical analysis, there are specific challenges. Many relevant minerals are beam sensitive, inhomogeneous, and have complex and low symmetry crystallo- graphy compared to well-studied technical materials. This work uses scanning preces- sion electron diffraction (SPED) as a low-dose technique and reduces dynamic intensity variations due to specimen thickness variations. A model case of combined pulverized quartz and muscovite was made for this thesis. The crystal phases and orientations were extracted using template matching based on open-source packages. The scans were collected at different projections using X-tilts of 0◦, 5◦, 10◦, and 20◦. The primary focus of this thesis was to optimize the data processing for this spe- cific case. Due to the varying thickness, the preprocessing of experimental patterns before comparing the patterns with the template bank turns out to be crucial and significantly enhances the accuracy of the results. Two distinct preprocessing meth- ods were developed and compared: a peak-finding method and a convolutional neural network (CNN) method. The peak-finding method demonstrated high accuracy but was subjective as it is user- and thickness-dependent. The CNN trained to identify re- flections in the diffraction pattern (DP) is fully automatic and more precise, especially near the boundaries and in great thickness gradients. With both optimized preprocessing routines, phase mapping of the muscovite and quartz mixture was straightforward for most areas, except for thick areas. Phases could be confirmed independently by energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDX). For quartz, it was speckled in the orientation maps due to pseudosymmetry. It was shown that DPs from the crystal orientations with a third Euler angle Ψ and 60 - Ψ are almost mirrored to each other. However, the speckling from pseudosymmetry can be mitigated by using maps taken at several tilts. It was more difficult to find the accurate orientation of muscovite. This was due to muscovite’s greater thickness gradient and weaker scatters, leading to a poor signal-to-noise ratio (SNR). Further- more, the muscovite has orientation variations and overlaps. Overlap can be tackled in principle by Non-Negative Matrix Factorization (NMF), which is demonstrated for overlapping quartz. However, the pattern variation was too large for muscovite areas to obtain consistent and robust grain segmentation in the case of overlaps. To summarize, template matching on SPED data sets has proven to work for pulverized quartz and muscovite if the challenges, such as thickness variations, are tackled by optimizing the preprocessing.