KR102253227B1 - Method for analyzing atomic images of low dimensional materials - Google Patents

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최시영
고경준
김기엽
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한중훈
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Abstract

The present invention relates to analysis technology capable of learning characteristics of an image acquired through a transmission scanning electron microscope, and acquiring structural information of a defect which a low-dimensional material can have in the image, in particular a point defect caused when an atom is not in its position or added to an atom position. According to the present invention, the analysis method includes the following steps of: (a) making training data by producing a transmission scanning electron microscope image of a low-dimensional image including a defect through a simulation; (b) deriving a prediction model through machine learning using the training data; and (c) acquiring an image with respect to the low-dimensional material through a transmission scanning electron microscope, and analyzing the defect through the prediction model. The training data is made by selecting a primitive unit cell smaller than a unit cell of the low-dimensional material, from the transmission scanning electron microscope image by the simulation.

Description

저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법 {METHOD FOR ANALYZING ATOMIC IMAGES OF LOW DIMENSIONAL MATERIALS}Atomic image analysis method of low-dimensional materials {METHOD FOR ANALYZING ATOMIC IMAGES OF LOW DIMENSIONAL MATERIALS}

본 발명은 심층 학습(deep learning)을 기반으로 주사투과전자현미경(STEM)을 통해 얻어진 저차원 재료 원자 이미지를 분석하는 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 주사투과전자현미경을 통하여 얻어진 원자 이미지의 특징을 인공지능 학습법 중의 하나인 지도 학습을 통하여 학습하고, 이미지에서 저차원 재료가 가질 수 있는 결함, 특히 원자가 본래 자리에 비어있거나 원자 위치에 추가되는 등의 점 결함의 구조적인 정보를 얻어내는 분석 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for analyzing an atomic image of a low-dimensional material obtained through a scanning transmission electron microscope (STEM) based on deep learning. More specifically, the characteristics of the atomic image obtained through the scanning transmission electron microscope are learned through supervised learning, one of artificial intelligence learning methods, and defects that low-dimensional materials may have in the image, especially if the atom is empty in its original position or at the atomic position. It relates to an analysis technique that obtains structural information of point defects such as being added.

주사투과전자현미경 장비의 발전으로 원자 구조의 고해상도 이미지를 얻어낼 수 있고 이를 바탕으로 재료의 구조에 대한 이해가 가능하게 되었다. 이러한 이해를 바탕으로 재료의 원자 구조가 그 특성에 어떻게 영향을 미치고 구조가 변화함으로써 특성이 다르게 발현되는 지를 밝힐 수 있다. 특히 원자층 두께의 원자들이 이차원 배열을 하고 있는 저차원 재료는 적층 방법, 적층 개수 등에 다양한 변화를 줄 수 있으며, 외부 환경에 노출된 면적이 많아 자연적으로 또는 인위적으로 재료에 생긴 결함을 관찰하고 결함에 변화를 주는 등 재료의 구조적 특징과 그 특성을 규명하는데 많은 기회를 제공한다.With the advancement of scanning transmission electron microscopy equipment, high-resolution images of atomic structures can be obtained, and based on this, understanding of the structure of materials has become possible. Based on this understanding, it is possible to clarify how the atomic structure of a material affects its properties and how the properties are expressed differently as the structure changes. In particular, low-dimensional materials in which atoms of atomic layer thickness are in a two-dimensional arrangement can make various changes in the stacking method and the number of stacks, and due to the large area exposed to the external environment, defects that occur naturally or artificially in the material can be observed. It provides many opportunities to examine the structural characteristics of the material and its properties, such as making changes to the material.

주사투과전자현미경에는 HAADF(High-angle annular dark field) 이미징 모드와 ABF(Annular bright field) 이미징의 모드가 존재한다. HAADF는 무거운 원자를 이미징하는 데 사용하는 모드이며, ABF는 상대적으로 가벼운 원소(산소, 질소, 및 수소 등)를 이미징하는데 사용하는 모드로, 저차원 재료에서 HAADF 이미지와 ABF 이미지를 동시에 분석하여 존재할 수 있는 다양한 점 결함의 분석이 가능하다.In a scanning transmission electron microscope, there are a high-angle annular dark field (HAADF) imaging mode and an annular bright field (ABF) imaging mode. HAADF is a mode used to image heavy atoms, and ABF is a mode used to image relatively light elements (oxygen, nitrogen, and hydrogen, etc.). It is possible to analyze a variety of possible point defects.

재료가 가질 수 있는 여러 결함들과 그 결함이 재료의 전기적 특성이 미치는 영향에 대한 연구는 많은 주목을 받아왔다. 그 중 저차원 재료들은 구조적인 변형과 결함 생성이 용이하기 때문에 전기적 특성 제어로 많은 연구에 사용되고 있다. 예를 들어 2H-몰리브덴 디텔루라이드(2H-MoTe2)의 경우 텔루륨 원자가 비어있으면 전자가 전하를 운반하는 n-형 반도체가 되며, 몰리브덴이 비어있는 경우 정공이 전하를 운반하는 p-형 반도체가 된다.Research on the various defects that a material can have and the effect of the defects on the electrical properties of the material has received a lot of attention. Among them, low-dimensional materials are used in many studies for controlling electrical properties because structural deformation and defect generation are easy. For example, in the case of 2H-molybdenum ditelluride (2H-MoTe 2 ), if the tellurium atom is empty, it becomes an n-type semiconductor in which electrons carry charge. Becomes.

또한, 외부에서 원자가 화학 흡착하는 경우에도 전기적인 특성을 조절할 수 있는데, 수소 원자가 화학 흡착하는 경우 전자 한 개를 제공하는 전자 공여체 역할을 하여 n-형 반도체로, 산소 원자가 화학 흡착하는 경우 전자 한 개를 받을 수 있는 전자 수용체 역할을 하여 p-형 반도체가 된다.In addition, electrical properties can be controlled even when an atom is chemically adsorbed from the outside.It acts as an electron donor that provides one electron when a hydrogen atom is chemically adsorbed, making it an n-type semiconductor, and an electron when an oxygen atom is chemically adsorbed. It acts as an electron acceptor to receive and becomes a p-type semiconductor.

이러한 원자 단위의 결함들과 그들이 저차원 재료의 전기적 특성에 미치는 영향이 많이 연구되고 있음에도 그 결함들을 분석하는데 많은 어려움이 따른다. 아무 결함이 없는 깨끗한(pristine) 상태의 저차원 재료에 비하여 원자가 비어있거나 원자가 추가된 경우 그 위치의 원자 밝기는 어두워지거나 밝아진다. 실험으로 얻어진 하나의 STEM 이미지에는 적게는 천여개, 많게는 수만개의 원자가 있으며 일일이 원자 단위에서 결함의 개수나 종류를 파악하는데 많은 시간이 들고 노력이 소모된다.Although such atomic-level defects and their effects on the electrical properties of low-dimensional materials have been studied a lot, it is difficult to analyze the defects. Compared to a pristine low-dimensional material with no defects, if an atom is empty or an atom is added, the brightness of the atom at that location becomes darker or brighter. In one STEM image obtained by an experiment, there are as few as a thousand and as many as tens of thousands of atoms, and it takes a lot of time and effort to determine the number or type of defects in atomic units.

이를 해결하기 위하여 상용 소프트웨어가 존재하는데, 이 소프트웨어는 원자 하나의 크기를 모티프(또는 기저)로 설정하여 그 영역 내의 질량 중심으로 원자의 위치(중심)를 파악하며, 이를 바탕으로 다른 위치의 원자들도 인식한다. 그런데 여기서 설정하는 모티프의 크기에 따라서 다른 위치의 원자들을 원자로 인식하거나 인식하지 못할 수도 있다. 이미지에 밝기가 나타나는 노이즈의 경우도 이를 원자로 간주할 수도 있어 추후에 이 값을 제거해야하는 번거로움도 존재한다.To solve this problem, commercial software exists. This software sets the size of an atom as a motif (or base) to determine the location (center) of the atom as the center of mass within the area, and based on this, the atoms at other locations Also recognize. However, depending on the size of the motif set here, atoms at other positions may or may not be recognized as atoms. In the case of noise that appears in the image brightness, it can also be regarded as an atom, so there is a hassle of removing this value later.

상용 소프트웨어를 이용하여 결함의 개수와 종류를 분석할 경우 기준이 될 원자에서 모티프 영역 내의 밝기를 적분하여 얻고 다른 원자 위치의 적분 강도의 비를 구하여 파악한다. 이때 결함의 종류를 파악할 상대 밝기 강도의 기준 값도 따로 통계적으로 HAADF 이미지의 시뮬레이션을 통하여 얻어야하므로 추가적인 시간이 소요된다는 단점이 있다.When analyzing the number and type of defects using commercial software, it is obtained by integrating the brightness within the motif region at the reference atom, and calculating the ratio of the integral intensity at the other atomic positions. At this time, there is a disadvantage in that additional time is required because the reference value of the relative brightness intensity to determine the type of defect must also be statistically obtained through simulation of the HAADF image.

미국 등록특허공보 제10,176,363호U.S. Patent Publication No. 10,176,363

본 발명은 점 결함이 포함된 저차원 재료의 원자 이미지를 종래에 비해 효율적이면서도 정확하게 분석할 수 있는 방법을 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method capable of analyzing an atomic image of a low-dimensional material containing point defects more efficiently and accurately than in the related art.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, (a) 시뮬레이션을 통해 결함이 포함된 저차원 재료의 주사투과전자현미경 이미지를 제작하여 훈련 데이터를 만드는 단계와, (b) 상기 훈련 데이터를 사용한 머신러닝을 통해 예측 모델을 도출하는 단계 및 (c) 주사투과전자현미경을 이용하여 저차원 재료에 대한 이미지를 얻고, 상기 예측 모델을 사용하여 결함을 분석하는 단계를 포함하며, 상기 훈련 데이터는 상기 시뮬레이션에 의한 주사투과전자현미경 이미지 중에서, 상기 저차원 재료의 유닛 셀(unit cell)보다 작은 단위인 프리미티브 유닛 셀(primitive unit cell)을 선택하여 만드는 것을 특징으로 하는, 저차원 재료의 결함 분석 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides the steps of (a) creating training data by producing a scanning transmission electron microscope image of a low-dimensional material containing defects through simulation, and (b) machine learning using the training data. And (c) obtaining an image of a low-dimensional material using a scanning transmission electron microscope, and analyzing a defect using the predictive model, wherein the training data is obtained by the simulation. A method for analyzing defects in a low-dimensional material is provided, characterized in that a primitive unit cell, which is a unit smaller than a unit cell of the low-dimensional material, is selected and produced from a scanning transmission electron microscope image.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 저차원 재료는 원자층 두께의 물질이 이차원적으로 배열하고 있는 것일 수 있다.In the method according to the present invention, the low-dimensional material may be one in which materials having an atomic layer thickness are two-dimensionally arranged.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 결함이 포함된 저차원 재료의 주사투과전자현미경 이미지는 HAADF 이미지 및 ABF 이미지의 어느 하나 또는 둘 모두가 사용될 수 있다.In the method according to the present invention, any one or both of a HAADF image and an ABF image may be used as the scanning transmission electron microscope image of the low-dimensional material containing the defect.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 머신러닝은 이미지 학습에 적합한 CNN(Convolution Neural Network) 방법이 사용되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 원자 이미지에 대한 효율적인 머신러닝이 가능한 기법이라면 특별히 제한되지 않는다.In the method according to the present invention, the machine learning is preferably a CNN (Convolution Neural Network) method suitable for image learning, but is not necessarily limited thereto, and any technique capable of efficient machine learning for atomic images is particularly limited. It doesn't work.

본 발명에 따른 방법의 상기 (c) 단계에 있어서, 주사투과전자현미경을 이용하여 저차원 재료에 대한 이미지를 얻는 것은, 바람직하게, 평면 이미지에서 상부에서 하부로 홀수층과, 짝수층을 구분하여 이루어질 수 있다.In the above step (c) of the method according to the present invention, obtaining an image of a low-dimensional material using a scanning transmission electron microscope is preferably, by dividing an odd-numbered layer and an even-numbered layer from top to bottom in a planar image. Can be done.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 프리미티브 유닛 셀의 선택은, 원자의 위치가 상이한 적어도 2가지 프리미티브 유닛 셀을 선택하는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 이와 같이 위치가 상이한 2가지 이상의 프리미티브 유닛 셀을 사용하여 학습을 수행하게 되면, 유닛 셀 단위로 훈련 데이터를 만드는 방법에 비해, 저차원 재료에 포함되는 결함에 대해 보다 정확한 예측 모델을 도출하는데 유리할 수 있다.In the method according to the present invention, the selection of the primitive unit cell may be made by a method of selecting at least two primitive unit cells having different positions of atoms. When learning is performed using two or more primitive unit cells with different positions as described above, it may be advantageous to derive a more accurate predictive model for defects contained in low-dimensional materials compared to a method of creating training data in units of unit cells. have.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 시뮬레이션을 통해 결함이 포함된 저차원 재료는 모노레이어(monolayer) 또는 바이레이어(bilayer)로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.In the method according to the present invention, the low-dimensional material including defects through the simulation may be made of a monolayer or a bilayer, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 결함은 공공(vacancy), 치환형 결함(substitutional defect), 침입형 결함(interstitial defect), 또는 공공(vacancy)에서 원자의 화학 흡착(chemisorption)을 포함할 수 있다.In the method according to the present invention, the defect may include vacancy, substitutional defect, interstitial defect, or chemisorption of atoms in vacancy. .

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 시뮬레이션을 통해 결함이 포함된 저차원 재료의 주사투과전자현미경 이미지를 제작하는 것은, 정상적으로 원자가 위치할 자리가 빈 경우, 정상적으로 위치해야 하는 원자 대신에 다른 원자가 치환된 경우, 정상적으로 존재하는 원자 위에 다른 원자가 추가되어 결합하는 경우, 정상적으로는 빈 공간에 원자가 위치하는 경우 및 원자가 비어 있는 자리에 외부 원자가 화학 흡착하는 경우를 포함하도록 하여 제작될 수 있다.In the method according to the present invention, producing a scanning transmission electron microscope image of a low-dimensional material containing defects through the above simulation means that when the position where the atom is normally located is free, another atom is substituted instead of the atom that should be normally located. In this case, it may be fabricated to include a case where another atom is added to and bonded to an atom that normally exists, a case where an atom is normally located in an empty space, and a case where an external atom is chemically adsorbed at a location where the atom is empty.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 시뮬레이션을 통해 만들어진 훈련 데이터는, 바람직하게 데이터 오그멘테이션(data augmentation)을 통해 증가시킬 수 있다.In the method according to the present invention, the training data created through the simulation can be increased preferably through data augmentation.

본 발명에 따른 방법은 사람이 일일이 원자 단위로 분석해야 하는 수고를 덜어주고, 현재까지 개발된 상용 소프트웨어의 낮은 분석의 신뢰성을 보완할 수 있는 신뢰성을 제공한다.The method according to the present invention relieves humans from having to analyze each atomic unit, and provides reliability that can supplement the low reliability of analysis of commercial software developed up to now.

또한, 훈련 이미지만 확보되면 기존에 밝혀지지 않았던 저차원 재료외 재료의 구조 분석에도 적용할 수 있다.In addition, if only training images are secured, it can be applied to structural analysis of materials other than low-dimensional materials that have not been previously revealed.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자 이미지 분석 방법의 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 저차원 재료인 2H-MoTe2의 상면과 단면에서 본 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 시뮬레이션을 통해 원자 위치가 상이한 2가지 프리미티브 유닛 셀을 선택하여 층 수의 변화와 함께 훈련용 데이터를 만드는 예를 나타낸 것이다.
도 4는 시뮬레이션을 통해, 공공, 치환형 결함 및 침입형 결함을 포함하는 훈련용 데이터를 만드는 예를 나타낸 것이다.
도 5는 레이블링된 훈련용 데이터를 나타낸 것이다.
도 6은 이미지 콘볼루션을 나타낸 것이다.
도 7은 콘볼루션층과 신경망을 나타낸 것이다.
도 8은 CNN 아키텍처 중 훈련 방법을 나타낸 것이다.
도 9는 CNN의 손실을 측정하는 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 10은 CNN의 정확도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 11은 CNN의 훈련 과정 및 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 주사투과전자현미경 테스트 이미지로부터 CNN 적용을 위한 이미지를 취출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 13은 시뮬레이션된 테스트 데이터를 CNN에 적용한 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 실제 주사투과전자현미경 이미지를 CNN에 적용하기 위한 CNN의 신뢰성 테스트와 CNN을 실제 이미지에 적용한 결과를 나타낸 것이다.
1 schematically shows a process of an atomic image analysis method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 schematically shows the structure of 2H-MoTe 2 , which is a low-dimensional material used in an embodiment of the present invention, viewed from the top and cross section.
3 shows an example of generating training data with a change in the number of layers by selecting two primitive unit cells having different atomic positions through simulation.
4 shows an example of creating training data including public, substitutional defects, and intrusive defects through simulation.
5 shows labeled training data.
6 shows image convolution.
7 shows a convolutional layer and a neural network.
8 shows a training method among CNN architectures.
9 is for explaining a method of measuring the loss of CNN.
10 is for explaining a method of measuring the accuracy of the CNN.
11 shows the training process and results of CNN.
12 shows a process of extracting an image for CNN application from a scanning transmission electron microscope test image.
13 shows the result of applying the simulated test data to the CNN.
14 shows a reliability test of CNN for applying an actual scanning transmission electron microscope image to a CNN and a result of applying the CNN to an actual image.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings with respect to an embodiment of the present invention will be described the configuration and operation.

본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

훈련용 데이터 제작Create training data

본 발명의 실시예에서는 저차원 재료의 주사투과전자현미경의 원자 이미지에서 결함을 분석하는 방법으로 CNN을 통해 원자 이미지에 포함된 결함을 분석할 수 있는 예측 모델을 도출하고 이를 통해 주사투과전자현미경의 원자 이미지를 분석하는 방법을 사용한다. 이 방법은 도 1에 도시된 것과 같이, 훈련용 데이터를 만드는 단계와, 훈련용 데이터를 CNN 아키텍처를 통해 학습하여 예측 모델을 도출하는 단계와, 도출된 예측 모델에 실제 주사투과전자현미경을 적용하는 단계를 포함하여 이루어진다.In an embodiment of the present invention, as a method of analyzing defects in an atomic image of a scanning transmission electron microscope of a low-dimensional material, a predictive model capable of analyzing defects included in an atomic image is derived through CNN, and Use the method of analyzing atomic images. As shown in Fig. 1, this method includes the steps of creating training data, learning the training data through a CNN architecture to derive a prediction model, and applying an actual scanning transmission electron microscope to the derived prediction model. It is made including steps.

이를 위한 첫 번째 단계로, 지도 학습을 위해, 저차원 재료에서 가능한 결함들을 포함시킨 HAADF 이미지를 시뮬레이션을 통하여 얻는다. HAADF 이미지의 시뮬레이션은 프리미티브 유닛 셀(primitive unit cell)의 선택과, 선택된 부분에 대한 결함 도입으로 이루어진다.As a first step for this, for supervised learning, a HAADF image containing possible defects in low-dimensional materials is obtained through simulation. The simulation of the HAADF image consists of selecting a primitive unit cell and introducing defects to the selected portion.

도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 저차원 재료인 2H-MoTe2의 상면과 단면에서 본 구조를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3은 시뮬레이션을 통해 원자 위치가 상이한 2가지 프리미티브 유닛 셀을 선택하여 훈련용 데이터를 만드는 예를 나타낸 것이다. FIG. 2 schematically shows the structure of 2H-MoTe 2 , which is a low-dimensional material used in an embodiment of the present invention, viewed from the top and cross section, and FIG. 3 is a simulation by selecting two primitive unit cells with different atomic positions. This is an example of creating data for use.

도 2에 나타낸 것과 같이, 훈련용 이미지를 얻기 위한 저차원 재료인 2H-MoTe2는 상면에서 보면(top view), 몰리브데늄 원자와 텔루륨 원자가 육각형을 이루는 형상을 나타내고, 단면에서 보면(cross sectional view), 몰리브데늄과 텔루륨이 두께 방향으로 소정 거리를 두고 몰리브데늄과 텔루륨이 배치된 구조를 나타낸다. As shown in FIG. 2, 2H-MoTe 2 , a low-dimensional material for obtaining training images, shows a shape in which a molybdenum atom and a tellurium atom form a hexagonal shape when viewed from the top (top view), and when viewed in a cross section sectional view), shows a structure in which molybdenum and tellurium are arranged at a predetermined distance in the thickness direction.

이러한 2H-MoTe2의 저차원 재료에 대한 평면의 HAADF 이미지에서, 훈련용 이미지는, 도 3에 나타낸 것과 같이, 최 상단층의 몰리브데늄 원자와 텔루륨 원자로 이루어진 프리미티브 유닛 셀(primitive unit cell)을 대상으로 만든다. 이 경우, 도 3에 나타낸 것과 같이, 몰리브데늄이 좌측 상부에 위치하고 텔루륨이 우측 하부에 위치하는 프리미티브 유닛 셀과, 반대로 몰리브데늄이 우측 상부에 위치하고 텔루륨이 좌측 하부에 위치하는 프리미티브 유닛 셀을 선택할 수 있는데, 이러한 방식은 실험에서 얻어진 이미지에 따라 유연하게 프리미티브 유닛 셀을 선택할 수 있어, 머신러닝의 훈련 효율을 높이는데 바람직하다.In the planar HAADF image of the low-dimensional material of 2H-MoTe 2 , the training image is a primitive unit cell composed of a molybdenum atom and a tellurium atom in the uppermost layer, as shown in FIG. 3. Make it the object. In this case, as shown in FIG. 3, the primitive unit cell in which molybdenum is located in the upper left and tellurium is located in the lower right, whereas the primitive unit in which molybdenum is located in the upper right and tellurium is located in the lower left. A cell can be selected, and this method is desirable to increase the training efficiency of machine learning since it is possible to flexibly select a primitive unit cell according to an image obtained in an experiment.

도 4는 시뮬레이션을 통해, 공공, 치환형 결함 및 침입형 결함을 포함하는 훈련용 데이터를 만드는 예를 모노레이어 2H-MoTe2로 도시한 것이다. 도 4에서 VMo는 Mo 원자 1개가 비어 있는 상태, VTe1의 경우 Te 원자 1개가 비어 있는 경우, VTe2는 2개의 Te 원자가 모두 비어 있는 상태를 의미한다. 또한, Tead는 Te 원자가 본래 Te 원자 위에 위치하고 있는 경우를 의미하고, MoTe는 Mo가 Te에 위치한 경우를 의미하며, TeMo는 Te가 Mo에 위치한 경우를 의미한다. 이러한 방법을 통해 총 6개 포인트의 결함을 가지는 훈련용 이미지를 만들 수 있으며, 실험 결과와 분석의 목적에 맞게 다양한 층 수에 따른 다양한 결함을 추가로 만들 수 있다.FIG. 4 shows an example of creating training data including vacancy, substitutional defects, and intrusive defects through simulation as a monolayer 2H-MoTe 2 . In FIG. 4, V Mo denotes a state in which one Mo atom is empty, and in the case of V Te1 , when one Te atom is empty, V Te2 denotes a state in which both Te atoms are empty. In addition, Te ad refers to the case where the Te atom is originally located on the Te atom, Mo Te refers to the case where Mo is located at Te , and Te Mo refers to the case where Te is located at Mo. Through this method, a training image having a total of 6 points of defects can be created, and various defects according to various number of layers can be additionally created according to the experimental results and the purpose of analysis.

도 5는 도 4에서 훈련용 데이터를 레이블링한 것이다. 상기한 시뮬레이션으로 얻은, 결함이 없는 'pristine' 포함한 각각의 이미지에 0부터 n번까지 레이블링을 하여 지도 학습이 이루어지도록 한다. 그리고 레이블링 이미지마다 데이터 오그멘테이션(data augmentation)을 사용하여 훈련시킬 이미지의 개수를 증가시킨다. 데이터 오그멘테이션은 지도 학습에 필요한 수의 훈련용 이미지를 확보하게 함과 동시에, 이상적인 결함의 상태에서 어느 정도 벗어나는 경우까지도 학습시킬 수 있도록 하는 이점이 있다. 또한, 얻어진 이미지에 노이즈(noise)를 입히는 등의 서브 샘플링(subsampling)도 부가하여 훈련용 데이터를 만들 수 있다.5 is a labeling of training data in FIG. 4. Supervised learning is performed by labeling 0 to n times on each image including'pristine' without defects obtained by the above simulation. In addition, the number of images to be trained is increased by using data augmentation for each labeling image. The data augmentation has the advantage of securing the number of training images required for supervised learning, and enabling training even when deviating from an ideal state of defects to some extent. In addition, subsampling such as adding noise to the obtained image can be added to create training data.

CNN에 의한 훈련Training by CNN

CNN은 콘볼루션과 신경망의 합성어로, 콘볼루션 단계에서는 도 6에 나타낸 것과 같이 결함을 포함하는 저차원 재료의 훈련용 이미지를 필터를 사용하여 콘볼루션한다. 이때 이미지를 콘볼루션할 필터의 행렬 크기, 필터의 개수 등이 변수가 된다.CNN is a compound word of convolution and neural network. In the convolution step, as shown in FIG. 6, the training image of a low-dimensional material containing defects is convolved using a filter. At this time, the matrix size of the filter to convolve the image, the number of filters, etc. become variables.

복수 개의 필터가 이미지를 콘볼루션하면서 하나의 훈련 이미지에서 여러 가지의 특징들을 뽑아내거나 유지할 수 있고, 그 결과 도 7에 도시된 것과 같이 콘볼루션 층(convolutional layer 1)이 만들어진다. 콘볼루션 후에는 이미지의 특징을 강화하는 맥스 풀링(max pooling) 층을 포함하여 서브 샘플링하는 방법도 사용 가능하다.A plurality of filters can extract or maintain various features from one training image while convolving the image, and as a result, a convolutional layer 1 is formed as shown in FIG. 7. After convolution, a method of subsampling including a max pooling layer that enhances the features of the image can also be used.

다음 콘볼루션(convolutional layer 2) 단계에서는 새로운 복수 개의 필터를 사용하여 이미지를 콘볼루션 하고, 마지막으로 콘볼루션 단계의 콘볼루션 층들을 하나의 열 또는 행 벡터로 만들어 신경망의 입력 변수로 만든다.In the next convolution (convolutional layer 2) step, the image is convoluted using a plurality of new filters, and finally, the convolutional layers of the convolution step are made into a single column or row vector to be an input variable of the neural network.

신경망은 도 8에 도시된 것과 같이 신경들이 그물처럼 연결되어있다는 의미로, 입력된 변수들이 각 신경(또는 노드)로 보내진다. 각 노드에서는 들어오는 입력 변수에 가중치를 추가하기 위해 웨이트(weight)가 곱해지고, 바이어스(bias)가 더해진다.The neural network means that nerves are connected like a net, as shown in FIG. 8, and input variables are sent to each nerve (or node). At each node, a weight is multiplied and a bias is added to add a weight to the incoming input variable.

각 입력 변수들이 노드들로 들어오는데, 같은 단계에 있는 노드들이 하나의 층을 이루며 이를 은닉층(hidden layer)라 한다. 은닉층(hidden layer)에 존재하는 각 노드들의 웨이트(weight)와 바이어스(bias)를 묶어 각각 간단한 행렬로 나타낸다. Each input variable comes into nodes, and the nodes at the same level form a layer, which is called a hidden layer. The weights and biases of each node existing in the hidden layer are grouped, and each is represented by a simple matrix.

은닉층을 통하여 가중치가 더해진 데이터들은 최종적으로 전결합층(fully connected layer)을 통하여 결함을 예측하여 분류(classification)한다. 이때 훈련이 잘 되는지를 판단하기 위하여 훈련 정확도(training accuracy), 훈련 손실(training loss), 검증 정확도(validation accuracy), 검증 손실(validation loss) 값들을 사용한다.Data to which weights are added through the hidden layer are finally classified by predicting defects through a fully connected layer. At this time, values of training accuracy, training loss, validation accuracy, and validation loss are used to determine whether training is successful.

손실 값을 측정하는 방법은, 도 9에 도시된 것과 같이, 트루 (true) 레이블과 CNN 모델이 각 레이블 별로 예측한 확률을 이용하여, 도 9의 식을 이용하여 구한다.As shown in FIG. 9, a method of measuring the loss value is obtained by using the predicted probability for each label by a true label and a CNN model, using the equation of FIG. 9.

정확도를 측정하는 방법은, 도 10에 도시된 것과 같이, 트루(true) 레이블과 예측된 레이블을 비교하여, 트루 레이블과 예측된 레이블이 동일하면 1을 부여하고, 예측이 틀리면 0을 부여하며, 얻어진 1과 0의 평균을 계산하는 방식으로 이루어진다. 이 때, 예측된 레이블은 손실에 사용된, CNN이 모델이 예측한 레이블들의 확률 중, 가장 높은 확률 값을 1로, 나머지 확률을 모두 0으로 만드는 원-핫 인코딩(one-hot encoding) 방법을 사용한다. 본 발명의 실시예에서는 준비된 데이터의 70%를 훈련용으로 사용하고, 나머지 30%를 테스트용으로 사용하여 훈련 정확도 및 검증 손실을 평가하였다.The method of measuring the accuracy, as shown in FIG. 10, compares a true label and a predicted label, and gives 1 if the true label and the predicted label are the same, and gives 0 if the prediction is incorrect. This is done by calculating the average of the obtained 1s and 0s. In this case, the predicted label is a one-hot encoding method in which the highest probability value among the probabilities of the labels predicted by the model by CNN, which is used for loss, is 1, and all remaining probabilities are 0. use. In the embodiment of the present invention, 70% of the prepared data was used for training, and the remaining 30% was used for testing to evaluate training accuracy and verification loss.

한편, 본 발명의 실시예에서 CNN을 통해 통하여 훈련(학습)을 한다는 것은, CNN 아키텍처를 구성하는 각각의 은닉층(hidden layer)의 웨이트(weight)와 바이어스(bias)를 CNN 모델이 조정하여 최대 정확도와 최소의 손실 값을 가지도록 한다는 것을 의미한다.Meanwhile, in the embodiment of the present invention, training (learning) through CNN means maximum accuracy by adjusting the weight and bias of each hidden layer constituting the CNN architecture by the CNN model. It means that it should have a minimum loss value.

도 11은 CNN 아키텍처를 이용한 훈련 과정 및 결과를 나타낸다. 전체 훈련 데이터에 대하여 학습이 한 번 완료되면, 훈련 에폭(training epoch)이 한 번 끝난 것이다.11 shows a training process and results using a CNN architecture. Once training is completed for the entire training data, the training epoch is completed once.

CNN 예측 모델의 적용Application of CNN prediction model

CNN 예측 모델의 적용은, 훈련에 사용하지 않은 새로운 이미지를 통해 수행한다. 본 발명의 실시예에서는 시뮬레이션을 통한 테스트용 이미지와, 실제 주사투과전자현미경 이미지를 사용하여 실시하였다.The application of the CNN prediction model is performed through a new image not used for training. In the embodiment of the present invention, an image for testing through simulation and an actual scanning transmission electron microscope image were used.

구체적으로, 실험을 통해 얻어지거나 테스트용으로 만들어진 저차원 재료의 주사투과전자현미경 이미지에서, 훈련시킨 이미지와 같은 동일하게 프리미티브 유닛 셀 단위로 이미지를 가져와 CNN 모델에 입력하여, 예측 모델에 의해 도출된 결함을, 적용한 이미지 내에 마킹을 하는 것과 동시에 가져온 프리미티브 유닛 셀의 좌표 추출을 통해 점 결함의 통계적 분석까지의 최종적인 결과를 얻는다.Specifically, from a scanning transmission electron microscope image of a low-dimensional material obtained through an experiment or made for testing, an image is taken in units of primitive unit cells in the same manner as the trained image, inputted into the CNN model, and derived by the predictive model. At the same time as marking the defect in the applied image, the final result is obtained until the statistical analysis of the point defect through the extraction of the coordinates of the imported primitive unit cell.

이때, 예측 모델에 입력할 이미지는, 도 12에 도시된 것과 같이, 상부에서 하부의 순으로 홀수층과 짝수층을 구분하여, 각각 서로 다르게 취득(crop)하여 적용하는 것이 바람직하다.In this case, as shown in FIG. 12, it is preferable to divide the odd-numbered and even-numbered layers from the top to the bottom, and to obtain the images to be input to the prediction model differently from each other and apply them as shown in FIG. 12.

도 13은 도 4의 훈련 데이터를 이용하여 시뮬레이션된 테스트 데이터를 CNN에 적용한 결과를 나타낸 것이다. 도 13에 나타낸 것과 같이, 시뮬레이션으로 얻은 결함이 있는 이미지를 모두 정확하게 예측하고 있으며, 특히 육안으로 구분이 어려운 결함도 정확하게 예측을 하는 결과를 나타내었다.13 shows the results of applying the simulated test data to the CNN using the training data of FIG. 4. As shown in FIG. 13, all images with defects obtained by simulation are accurately predicted, and in particular, defects that are difficult to distinguish with the naked eye are also accurately predicted.

도 14는 실제 주사투과전자현미경 이미지를 CNN에 적용하기 전 점 결함 예측의 신뢰성 확인과 CNN을 적용한 결과를 나타낸 것이다. 도 14에 나타낸 것과 같이, CNN 신뢰성 테스트에서 시뮬레이션으로 얻은 결함이 존재하는 이미지를 모두 정확하게 예측하고 있으며, 실제 실험을 통해 얻은 2H-MoTe2 바이레이어 물질에 대한 주사투과전자현미경 이미지를 예측 모델에 적용 및 통계적인 분석이 가능하였다.FIG. 14 shows the results of applying the CNN and confirming the reliability of point defect prediction before applying the actual scanning transmission electron microscope image to the CNN. As shown in Fig. 14, all images with defects obtained by simulation in the CNN reliability test are accurately predicted, and the scanning transmission electron microscope image of the 2H-MoTe 2 bilayer material obtained through the actual experiment is applied to the prediction model. And statistical analysis was possible.

Claims (10)

(a) 시뮬레이션을 통해 결함이 포함된 저차원 재료의 주사투과전자현미경 이미지를 제작하여 훈련 데이터를 만드는 단계;
(b) 상기 훈련 데이터를 사용한 머신러닝을 통해 예측 모델을 도출하는 단계; 및
(c) 주사투과전자현미경을 이용하여 저차원 재료에 대한 이미지를 얻고, 상기 예측 모델을 사용하여 결함을 분석하는 단계;를 포함하며,
상기 훈련 데이터는 상기 시뮬레이션에 의한 주사투과전자현미경 이미지 중에서, 상기 저차원 재료의 유닛 셀(unit cell)보다 작은 단위인 프리미티브 유닛셀(primitive unit cell)을 선택하여 만들고,
상기 프리미티브 유닛 셀의 선택은, 원자의 위치가 상이한 적어도 2가지 프리미티브 유닛 셀을 선택하는 방법에 의해 이루어지는, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
(a) creating training data by producing a scanning transmission electron microscope image of a low-dimensional material containing defects through simulation;
(b) deriving a prediction model through machine learning using the training data; And
(c) obtaining an image of a low-dimensional material using a scanning transmission electron microscope, and analyzing a defect using the predictive model; and
The training data is created by selecting a primitive unit cell, which is a unit smaller than a unit cell of the low-dimensional material, from the scanning transmission electron microscope image by the simulation,
The selection of the primitive unit cell is performed by a method of selecting at least two primitive unit cells having different atomic positions.
제1항에 있어서,
상기 저차원 재료는 원자층 두께의 물질이 이차원적으로 배열하고 있는 것인, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
In the low-dimensional material, materials having an atomic layer thickness are arranged two-dimensionally.
제1항에 있어서,
상기 결함이 포함된 저차원 재료의 주사투과전자현미경 이미지는 HAADF 이미지 또는 ABF 이미지인, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The scanning transmission electron microscope image of the low-dimensional material containing the defect is a HAADF image or an ABF image, an atomic image analysis method of a low-dimensional material.
제1항에 있어서,
상기 머신러닝은 CNN(Convolution Neural Network) 방법에 의하는 것인, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The machine learning is based on a CNN (Convolution Neural Network) method, a method of analyzing an atomic image of a low-dimensional material.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에 있어서, 주사투과전자현미경을 이용하여 저차원 재료에 대한 이미지를 얻는 것은, 평면 이미지에서 상부에서 하부로 홀수 레이어와, 짝수 레이어를 별도로 획득하는, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
In step (c), obtaining an image of a low-dimensional material using a scanning transmission electron microscope is an atomic image analysis of a low-dimensional material in which an odd-numbered layer and an even-numbered layer are separately obtained from the top to the bottom in the planar image. Way.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 저차원 재료는 모노레이어 또는 바이레이어로 이루어지는, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The low-dimensional material is composed of a monolayer or a bilayer, atomic image analysis method of a low-dimensional material.
제1항에 있어서,
상기 결함은 공공(vacancy), 치환형 결함(substitutional defect), 침입형 결함(interstitial defect), 또는 공공(vacancy)에서 원자의 화학 흡착(chemisorption)을 포함하는, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The defect includes vacancy, substitutional defect, interstitial defect, or chemisorption of atoms in vacancy.
제1항에 있어서,
상기 시뮬레이션을 통해 결함이 포함된 저차원 재료의 주사투과전자현미경 이미지를 제작하는 것은, 정상적으로 원자가 위치할 자리가 빈 경우, 정상적으로 위치해야 하는 원자 대신에 다른 원자가 치환된 경우, 정상적으로 존재하는 원자 위에 다른 원자가 추가되어 결합하는 경우, 정상적으로는 빈 공간에 원자가 위치하는 경우, 원자가 비어 있는 공간에 외부 원자가 화학 흡착하는 경우를 포함하도록 하여 제작되는, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
To produce a scanning transmission electron microscope image of a low-dimensional material containing defects through the above simulation, when the position where the atom is normally located is empty, when another atom is substituted instead of the atom that should be normally located, another atom is replaced on another atom. A method of analyzing an atomic image of a low-dimensional material, which is produced by including the case where an atom is added and bonded, when an atom is normally located in an empty space, or a case where an external atom is chemically adsorbed in an empty space.
제1항에 있어서,
상기 시뮬레이션을 통해 만들어진 훈련 데이터는 데이터 오그멘테이션을 통해 증가되는, 저차원 재료의 원자 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The training data created through the simulation is increased through data augmentation, a method of analyzing an atomic image of a low-dimensional material.
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