Autonomous Scanning Tunneling Microscopy Imaging via Deep Learning

化学 扫描隧道显微镜 显微镜 纳米技术 光学 物理 材料科学
作者
Zhiwen Zhu,Shaoxuan Yuan,Quan Yang,Hao Jiang,Fengru Zheng,Jiayi Lu,Qiang Sun
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (42): 29199-29206 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.4c11674
摘要

Scanning tunneling microscopy (STM) is a powerful technique that provides the ability to manipulate and characterize individual atoms and molecules with atomic-level precision. However, the processes of scanning samples, operating the probe, and analyzing data are typically labor-intensive and subjective. Deep learning (DL) techniques have shown immense potential in automating complex tasks and solving high-dimensional problems. In this study, we developed an autonomous STM framework powered by DL to enable autonomous operations of the STM without human interventions. Our framework employs a convolutional neural network (CNN) for real-time evaluation of STM image quality, a U-net model for identifying bare surfaces, and a deep Q-learning network (DQN) agent for autonomous probe conditioning. Additionally, we integrated an object recognition model for the automated recognition of different adsorbates. This autonomous framework enables the acquisition of space-averaging information using STM techniques without compromising the high-resolution molecular imaging. We achieved measuring an area of approximately 1.9 μm2 within 48 h of continuous measurement and automatedly generated the statistics on the molecular species present within the mesoscopic area. We demonstrate the high robustness of the framework by conducting measurements at the liquid nitrogen temperature (∼78 K). We envision that the integration of DL techniques and high-resolution microscopy will not only extend the functionality and capability of scanning probe microscopes but also accelerate the understanding and discovery of new materials.
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