KR20200106763A - Method for analyzing electron microscopy image - Google Patents

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Abstract

Provided is an electron microscope image analysis method. The electron microscope image analysis method comprises the steps of: obtaining an electron microscope image; processing the electron microscope image to form a binarized image; and analyzing the binarized image.

Description

전자현미경 이미지 분석 방법{METHOD FOR ANALYZING ELECTRON MICROSCOPY IMAGE}Electron microscope image analysis method {METHOD FOR ANALYZING ELECTRON MICROSCOPY IMAGE}

본 발명은 전자현미경 이미지 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electron microscope image analysis method.

나노입자의 성장은 핵 생성, 성장, 유착, 숙성 등 여러 독특한 메커니즘을 포함한다. 이러한 복잡성으로 인해 성장 메커니즘에 대한 포괄적인 이해를 위해서는 개별 성장 궤도와 앙상블 평균에서 동역학의 두 가지 측면에서 나노입자 성장을 실험적으로 조사해야 한다. 액상 투과 전자 현미경은 나노입자의 성장을 직접 관찰할 수 있지만 제한된 수의 성장 궤도에 제한된다.The growth of nanoparticles involves several unique mechanisms, including nucleation, growth, adhesion, and maturation. Due to this complexity, the growth of nanoparticles must be experimentally investigated in terms of both individual growth trajectories and kinetics in ensemble mean for a comprehensive understanding of growth mechanisms. Liquid transmission electron microscopy can directly observe the growth of nanoparticles, but is limited to a limited number of growth trajectories.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전자현미경 이미지 분석 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides an electron microscope image analysis method.

본 발명의 실시예들에 따른 전자현미경 이미지 분석 방법은, 전자현미경 이미지를 획득하는 단계, 상기 전자현미경 이미지를 처리하여 이진화 이미지를 형성하는 단계, 및 상기 이진화 이미지를 분석하는 단계를 포함한다.An electron microscope image analysis method according to embodiments of the present invention includes obtaining an electron microscope image, processing the electron microscope image to form a binarized image, and analyzing the binarized image.

상기 전자현미경 이미지는 적응형 이진화 알고리즘을 이용하여 적응형 이진화로 이진화될 수 있다. 상기 이진화에 의해 상기 전자현미경 이미지의 배경 노이즈가 보정될 수 있다.The electron microscope image may be binarized by adaptive binarization using an adaptive binarization algorithm. Background noise of the electron microscope image may be corrected by the binarization.

상기 전자현미경 이미지를 처리하는 것은, 상기 전자현미경 이미지의 노이즈를 제거하는 것과 상기 전자현미경 이미지의 에지 콘트라스트를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 전자현미경 이미지의 노이즈를 제거하는 것은 비너 필터 및 가우시안 필터를 사용하여 수행될 수 있고, 상기 전자현미경 이미지의 에지 콘트라스트를 증가시키는 것은 라프라시안 필터를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 전자현미경 이미지를 처리하는 것은, 감마보정을 사용하여 상기 전자현미경 이미지의 감마값을 조정하는 것을 더 포함할 수 있다.Processing the electron microscope image may include removing noise from the electron microscope image and increasing an edge contrast of the electron microscope image. Removing noise from the electron microscope image may be performed using a biner filter and a Gaussian filter, and increasing the edge contrast of the electron microscope image may be performed using a Laprasian filter. Processing the electron microscope image may further include adjusting a gamma value of the electron microscope image using gamma correction.

상기 이진화 이미지는 컴퓨터를 이용하여 분석될 수 있다.The binarized image can be analyzed using a computer.

상기 전자현미경 이미지는 나노입자 이미지를 포함할 수 있고, 상기 이진화 이미지를 분석하는 것은, 상기 나노입자의 크기와 위치를 분석하는 것과 상기 나노입자의 성장 속도를 분석하는 것을 포함할 수 있다. 상기 나노입자의 크기와 위치는 앙상블 분석법을 이용하여 분석될 수 있다.The electron microscope image may include a nanoparticle image, and analyzing the binarization image may include analyzing the size and position of the nanoparticle and analyzing the growth rate of the nanoparticle. The size and position of the nanoparticles may be analyzed using an ensemble analysis method.

상기 전자현미경 이미지는 액상 투과전자현미경 이미지를 포함할 수 있다.The electron microscope image may include a liquid transmission electron microscope image.

본 발명의 실시예들에 따르면, 이진화 이미지를 이용하여 전자현미경 이미지를 정확하고 효과적으로 분석할 수 있다. 상기 이진화 이미지는 0과 1로만 이루어지기 때문에 컴퓨터에서 쉽게 계산될 수 있어 많은 데이터를 빠른 시간에 체계적으로 정확하게 분석할 수 있다. 이에 의해, 투과전자현미경 등을 포함하여 전자현미경 측정의 효용성이 증가될 수 있다.According to embodiments of the present invention, an electron microscope image can be accurately and effectively analyzed using a binarized image. Since the binarized image is composed of only 0s and 1s, it can be easily calculated by a computer, so that a lot of data can be systematically and accurately analyzed in a short time. As a result, the effectiveness of electron microscopy measurements including transmission electron microscopy and the like can be increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자현미경 이미지 분석 방법에 따라 이진화 이미지의 형성 과정을 개략적으로 나타낸다.
도 2 및 도 3은 개별 Pt 나노입자의 형성 메카니즘의 앙상블 분석을 나타낸다.
도 4 내지 11은 특정 나노입자 크기에서 유착 성장과 단량체 성장의 상관관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 12 내지 15는 나노입자 성장의 초기 단계에서 단량체 성장을 통한 좁은 크기 분포를 설명하기 위한 도면들이다.
도 16 내지 도 19는 나노입자 성장의 후기 단계에서 오스트발트 숙성을 설명하기 위한 도면들이다.
1 schematically shows a process of forming a binarized image according to an electron microscope image analysis method according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 show ensemble analysis of the mechanism of formation of individual Pt nanoparticles.
4 to 11 are diagrams for explaining the correlation between adhesion growth and monomer growth in a specific nanoparticle size.
12 to 15 are diagrams for explaining a narrow size distribution through monomer growth in an initial stage of nanoparticle growth.
16 to 19 are views for explaining Ostwald ripening in a later stage of nanoparticle growth.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently transmitted to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

본 발명의 실시예들에 따른 전자현미경 이미지 분석 방법은, 전자현미경 이미지를 획득하는 단계, 상기 전자현미경 이미지를 처리하여 이진화 이미지를 형성하는 단계, 및 상기 이진화 이미지를 분석하는 단계를 포함한다.An electron microscope image analysis method according to embodiments of the present invention includes acquiring an electron microscope image, processing the electron microscope image to form a binarized image, and analyzing the binarized image.

1. 전자현미경 이미지를 획득한다. 1. Acquire an electron microscope image.

상기 전자현미경은, 예를 들어, 액상(liquid phase) 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)일 수 있고, 상기 전자현미경 이미지는 액상 투과전자현미경 이미지일 수 있다. 또, 상기 전자현미경 이미지 분석 방법은 상기 액상 투과전자현미경에 한정되지 않고 다양한 전자현미경에 적용될 수 있다. The electron microscope may be, for example, a liquid phase transmission electron microscopy (TEM), and the electron microscope image may be a liquid transmission electron microscope image. In addition, the electron microscope image analysis method is not limited to the liquid transmission electron microscope and can be applied to various electron microscopes.

2. 상기 전자현미경 이미지를 처리하여 이진화 이미지를 형성한다.2. The electron microscope image is processed to form a binarized image.

상기 전자현미경 이미지를 처리하는 것은, 상기 전자현미경 이미지의 노이즈를 제거하는 것, 감마보정을 사용하여 상기 전자현미경 이미지의 감마값을 조정하는 것, 및/또는 상기 전자현미경 이미지의 에지 콘트라스트를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 전자현미경 이미지의 노이즈를 제거하는 것은 비너 필터 및 가우시안 필터를 사용하여 수행될 수 있고, 상기 전자현미경 이미지의 에지 콘트라스트를 증가시키는 것은 라프라시안 필터를 사용하여 수행될 수 있다.Processing the electron microscope image includes removing noise from the electron microscope image, adjusting the gamma value of the electron microscope image using gamma correction, and/or increasing the edge contrast of the electron microscope image. Can include. Removing noise from the electron microscope image may be performed using a biner filter and a Gaussian filter, and increasing the edge contrast of the electron microscope image may be performed using a Laprasian filter.

비너필터를 이용하여 상기 전자현미경 이미지의 노이즈를 제거할 수 있고, 감마값 조정을 통해 상기 전자현미경 이미지에서 어두운 부분을 더 부각시킬 수 있다. 가우시안 필터(gaussian filter)를 이용하여 투과전자 현미경에서 특징적인 가우시안 노이즈를 제거하여 이미지 정보가 없는 부분 즉, 배경의 신호를 최소화할 수 있다. 국소 라플라시안 필터(local laplacian filter)를 이용하여 상기 전자현미경 이미지 내에서 경계 신호가 약한 부분은 더 약하게 하고, 대비가 큰 부분은 더 강조하여 나타낼 수 있다. The noise of the electron microscope image may be removed by using a biner filter, and a dark portion of the electron microscope image may be further emphasized by adjusting a gamma value. Characteristic Gaussian noise can be removed from the transmission electron microscope by using a Gaussian filter to minimize a portion without image information, that is, a signal of a background. Using a local laplacian filter, a portion of the electron microscope image with a weak boundary signal may be weaker and a portion with a high contrast may be more emphasized.

상기 전자현미경 이미지는 적응형 이진화 알고리즘을 이용하여 적응형 이진화로 이진화될 수 있다. 상기 이진화에 의해 상기 전자현미경 이미지의 배경 노이즈가 보정될 수 있다. The electron microscope image may be binarized by adaptive binarization using an adaptive binarization algorithm. Background noise of the electron microscope image may be corrected by the binarization.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자현미경 이미지 분석 방법에 따라 이진화 이미지의 형성 과정을 개략적으로 나타낸다.1 schematically shows a process of forming a binarized image according to an electron microscope image analysis method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 전자현미경 이미지는 비너 필터링, 감마 보정, 가우시안 필터링, 국소 라플라시안 필터링, 및 이진화 처리되어 이진화 이미지가 형성된다.Referring to FIG. 1, an electron microscope image is subjected to binar filtering, gamma correction, Gaussian filtering, local Laplacian filtering, and binarization to form a binarized image.

3. 상기 이진화 이미지를 분석한다.3. Analyze the binarized image.

상기 이진화 이미지는 0과 1로만 이루어지기 때문에 컴퓨터 분석에 적합하고, 컴퓨터에서 쉽게 계산될 수 있어 많은 데이터를 빠른 시간에 체계적으로 정확하게 분석할 수 있다.Since the binarized image consists of only 0s and 1s, it is suitable for computer analysis, and can be easily calculated on a computer, so that a lot of data can be systematically and accurately analyzed in a short time.

상기 전자현미경 이미지는 나노입자 이미지를 포함할 수 있고, 상기 이진화 이미지를 분석하는 것은, 상기 나노입자의 크기와 위치를 분석하는 것과 상기 나노입자의 성장 속도를 분석하는 것을 포함할 수 있다. 상기 나노입자의 크기와 위치는 앙상블 분석법을 이용하여 분석될 수 있다.The electron microscope image may include a nanoparticle image, and analyzing the binarization image may include analyzing the size and position of the nanoparticle and analyzing the growth rate of the nanoparticle. The size and position of the nanoparticles may be analyzed using an ensemble analysis method.

상기 전자현미경 이미지는 액상 투과전자현미경 이미지를 포함할 수 있다.The electron microscope image may include a liquid transmission electron microscope image.

이하에서는 전자현미경 이미지 분석 방법에 대하여 나노입자 성장 메커니즘 분석을 예로 들어 설명한다.Hereinafter, an electron microscope image analysis method will be described by taking nanoparticle growth mechanism analysis as an example.

나노입자 성장 메커니즘에 대한 이해는 콜로이드 나노과학 분야에서 필수적이다. 나노입자의 형성은 일반적으로 나노입자의 가장 작은 단위인 모노머의 결합을 통한 핵 형성 및 후속 성장에 의해 이루어진다. 성장하는 나노입자의 표면 에너지, 리간드와 용매의 혼합물 내 단량체의 확산 상수 및 단량체 농도를 포함하는 열역학 및 동역학 인자는 성장 궤도에 영향을 미친다.Understanding the mechanism of nanoparticle growth is essential in the field of colloidal nanoscience. The formation of nanoparticles is generally achieved by nucleation and subsequent growth through the bonding of monomers, which are the smallest units of nanoparticles. Thermodynamic and kinetic factors, including the surface energy of the growing nanoparticles, the diffusion constant and monomer concentration of the monomer in the mixture of ligand and solvent, influence the growth trajectory.

높은 단량체 농도를 갖는 확산 제어 성장 조건 하에서, 작은 나노입자의 성장 속도는 큰 나노입자의 성장 속도보다 빠르며, 결과적으로 좁은 크기 분포를 나타낸다. 단량체 농도가 낮을 때, 나노입자 합성의 후기 단계에서 전형적으로 관찰되는 것처럼, 작은 입자로부터 단량체 분리의 빈도가 증가하기 때문에 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)이 우세해진다. 나노입자 합성 중 크기 분포 변화의 기원을 밝히기 위해서는 개별 나노입자의 성장 속도와 경로를 직접 관찰해야 한다.Under diffusion-controlled growth conditions with a high monomer concentration, the growth rate of small nanoparticles is faster than that of large nanoparticles, resulting in a narrow size distribution. When the monomer concentration is low, Ostwald ripening becomes dominant because the frequency of monomer separation from small particles increases, as is typically observed in later stages of nanoparticle synthesis. In order to elucidate the origin of the change in size distribution during nanoparticle synthesis, the growth rate and path of individual nanoparticles must be directly observed.

액상 TEM은 개별 나노입자 거동의 실시간 분석에 적합하고 성장 메커니즘을 밝혀내는데 도움이 된다. 예를 들어, 액상 TEM을 이용하여 큰 반응 단면적에 의해 구동되는 작은 입자들 사이의 빈번한 유착 발생의 존재와 좁은 크기 분포에 대한 기여를 확인할 수 있다. Liquid TEM is suitable for real-time analysis of individual nanoparticle behavior and helps to uncover growth mechanisms. For example, liquid TEM can be used to confirm the presence of frequent adhesions between small particles driven by a large reaction cross-sectional area and their contribution to a narrow size distribution.

액상-인 시츄(in situ) TEM을 통한 나노입자 다수의 전체 성장 궤도의 통계적 분석은 유착 발생과 관련된 열역학 인자 및 크기 의존적인 운동에 관한 정보를 제공할 수 있다. 또, 성장 경로의 서로 다른 유형 간의 상호 작용의 포괄적인 조사는 정확하게 제어된 모폴로지를 갖는 단분산 나노입자의 합성을 가능하게 한다.Statistical analysis of the overall growth trajectory of a large number of nanoparticles via liquid-in situ TEM can provide information on size-dependent motion and thermodynamic factors associated with adhesion development. In addition, the comprehensive investigation of the interactions between different types of growth pathways enables the synthesis of monodisperse nanoparticles with precisely controlled morphology.

본 발명의 실시예들에 따른 전자현미경 이미지 분석 방법은 이미지 이진화 방법과 계산 분석을 이용하여 인 시츄 액상 TEM으로부터 얻은 Pt 나노자의 많은 수의 성장 궤도에 대한 앙상블 분석을 제공한다. 좁은 입자 크기 분포를 얻는 단량체 성장 및 유착 발생의 고유한 특성 및 기여는 앙상블에서 성장 궤도 유형을 분리함으로써 이해될 수 있다. 또, 나노입자의 임계 크기가 유착 빈도와 성장 속도를 결정하는데 중요하며, 앙상블 분석은 단량체 경로를 따르는 나노입자의 성장 속도가, 단량체가 후기 단계에서 고갈될 때 오스트발트 숙성으로 인한 단분산(monodispersity)의 감소가 시작되기 전에 나노입자의 크기에 반비례한다.An electron microscope image analysis method according to embodiments of the present invention provides an ensemble analysis of a large number of growth trajectories of Pt nanoparticles obtained from an in situ liquid TEM using an image binarization method and computational analysis. The inherent properties and contributions of monomer growth and adhesion occurrence resulting in a narrow particle size distribution can be understood by separating the growth trajectory types in the ensemble. In addition, the critical size of the nanoparticles is important in determining the adhesion frequency and growth rate, and ensemble analysis shows that the growth rate of nanoparticles along the monomer pathway is determined by the monodispersity due to Ostwald ripening when the monomer is depleted in the later stages ) Is inversely proportional to the size of the nanoparticles before it begins to decrease.

도 2 및 도 3은 개별 Pt 나노입자의 형성 메카니즘의 앙상블 분석을 나타낸다.2 and 3 show ensemble analysis of the mechanism of formation of individual Pt nanoparticles.

도 2 및 도 3을 참조하면, 실리콘 질화물 액체 셀은 용액에서 나노입자 성장을 직접 관측하기 위해 제조되고 인 시츄 TEM에 적용된다. 올레일아민 리간드(oleylamine ligands) 존재 하에 Pt 나노입자의 수많은 성장 궤도를 보여주는 시야각을 가진 일련의 TEM 이미지를 얻는다. 전반적으로, Pt 나노입자의 버스트 핵 생성(burst nucleation)은 초기 단계에서 관찰되며, 이들은 계속해서 큰 크기로 성장한다.2 and 3, a silicon nitride liquid cell was prepared to directly observe the growth of nanoparticles in solution and applied in situ TEM. A series of TEM images with viewing angles showing the numerous growth trajectories of Pt nanoparticles in the presence of oleylamine ligands are obtained. Overall, burst nucleation of Pt nanoparticles is observed in the early stages, and they continue to grow to large sizes.

수백 가지 개별 성장 궤도를 효율적이고 정확하게 추적하기 위해 노이즈 제거, 에지 콘트라스트 최적화(edge contrast optimisation), 눈에 띄지 않는 픽셀 제거 및 적응 형 이진화(adaptive binarisation)로 TEM 이미지를 처리한다. 이진화된 이미지에서 추적된 나노입자의 크기와 위치는 원래의 TEM 이미지와 잘 일치한다.To efficiently and accurately track hundreds of individual growth trajectories, TEM images are processed with noise removal, edge contrast optimization, inconspicuous pixel removal and adaptive binarisation. The size and position of the nanoparticles tracked in the binarized image agree well with the original TEM image.

이진화된 인 시츄 TEM 이미지로부터 300개 이상의 개별 나노입자의 궤도는 200초의 성장에 걸쳐 성공적으로 추적되고 성장 메커니즘을 설명하는 매개 변수의 통계적 분석에 사용된다.The trajectories of more than 300 individual nanoparticles from the binarized in-situ TEM images were successfully tracked over 200 s of growth and used for statistical analysis of the parameters describing the growth mechanism.

전체 성장 궤도Full growth trajectory

각 프레임의 평균 크기, 크기 분포 및 입자 수가 계산된 분석에서 추출된다. 입자의 반지름은 각 입자의 픽셀 수를 계산하여 결정된다. 반응이 진행됨에 따라 평균 반지름은 계속해서 증가하고, 단량체가 소비됨에 따라 나중 단계에서 성장 속도가 감소한다. 크기 분포는 120초까지 좁혀지고 그 이후로 확대되어 전체 성장이 크기 포커싱(size focusing)과 크기 디포커싱(size defocusing)의 두 단계로 나뉘어진다.The average size, size distribution and number of particles of each frame are extracted from the calculated analysis. The radius of a particle is determined by counting the number of pixels in each particle. The average radius continues to increase as the reaction proceeds, and the growth rate decreases at a later stage as the monomer is consumed. The size distribution narrows to 120 seconds and then expands so that the total growth is divided into two stages: size focusing and size defocusing.

초기 단계에서 작은 입자의 동적 핵 형성 및 용해로 인해, 처음 30초 동안 변동하는 입자의 수는 25초에서 325개의 최대 나노입자 수에 도달한다. 입자 수가 이 최대값 이후 30초로 감소하는 동안, 작은 입자의 일부의 용해가 유착과 함께 지속적으로 관찰된다. 65초에서 95초까지 나노입자의 수에서 또 다른 극적인 감소는 단량체 성장과 함께 일어나는 대부분의 다중 유착 발생에서 기인한다. 입자의 수는 95초 후에 거의 일정 해지며 이는 유착이 더 이상 지배적이지 않다는 것을 의미한다.Due to the dynamic nucleation and dissolution of small particles in the initial stage, the number of particles fluctuating during the first 30 seconds reaches a maximum number of 325 nanoparticles in 25 seconds. While the number of particles decreases to 30 seconds after this maximum, dissolution of some of the small particles is continuously observed with adhesion. Another dramatic decrease in the number of nanoparticles from 65 seconds to 95 seconds is due to the occurrence of most multiple adhesions that occur with monomer growth. The number of particles becomes almost constant after 95 seconds, which means that adhesion is no longer dominant.

성장 궤도의 분류Classification of growth trajectories

유착 성장 및 단량체 성장이 나노 입자의 크기 분포에 영향을 미칠 수 있기 때문에 두 경로를 구별하고 성장 메커니즘을 포괄적으로 이해하기 위해 독립적인 분석을 수행하여야 한다. 개별 나노입자를 추적하면 앙상블 성장 궤도를 유착이 있는 성장과 유착이 없는 성장의 두 가지 범주로 분류할 수 있다.Since adhesion growth and monomer growth can affect the size distribution of nanoparticles, independent analyzes must be performed to differentiate the two pathways and to comprehensively understand the growth mechanism. By tracking individual nanoparticles, the ensemble growth trajectory can be classified into two categories: growth with adhesions and growth without adhesions.

성장의 초기 단계에서 단시간 동안 존재하는 나노입자를 제외하면 186개의 나노입자 성장 궤도가 분류된다. 유착 발생 없이 단량체 결합을 통해서만 성장한 113개의 나노입자는 연속적인 크기 증가를 보인다. 한편, 유착을 경험하는 73개의 나노입자의 크기는 유착 시점에서 갑자기 증가하고 결국 34개의 나노입자가 된다.Excluding nanoparticles that exist for a short period of time in the early stages of growth, 186 nanoparticle growth trajectories are classified. The 113 nanoparticles grown only through monomer bonding without the occurrence of adhesion showed a continuous increase in size. On the other hand, the size of 73 nanoparticles experiencing adhesion increases suddenly at the time of adhesion and eventually becomes 34 nanoparticles.

분류된 성장 궤도 모두 통계적으로 분석된다. 단량체 결합을 통해 성장한 나노입자 그룹의 평균 크기와 크기 분포는 전체 성장에서 비슷한 경향을 보인다. 구체적으로, 그룹의 크기 분포는 포커싱과 디포커싱 방식을 따르는 반면 평균 크기는 전체 프로세스 동안 계속 증가한다. 수많은 궤도로부터 유착하는 나노입자의 평균 크기는 급격한 크기 증가와 함께 몇 개의 분명한 시간 간격을 보여준다. 이것은 유착의 대부분이 단시간에 동시에 일어나는 경향이 있음을 보여준다. 단량체 성장을 하는 나노입자의 크기 분포는 유착 성장을 하는 나노입자의 크기 분포보다 좁다. 이것은 나노입자의 개선된 단분산을 얻기 위해 대부분의 개별 성장 궤도가 단량체 경로를 따르도록 합성 절차가 설계될 수 있음을 나타낸다.All classified growth trajectories are analyzed statistically. The average size and size distribution of groups of nanoparticles grown through monomer bonding show similar trends in overall growth. Specifically, the group size distribution follows the focusing and defocusing scheme, while the average size continues to increase during the whole process. The average size of nanoparticles adhering from numerous orbits shows several distinct time intervals with a rapid increase in size. This shows that most of the adhesions tend to occur simultaneously in a short time. The size distribution of nanoparticles for monomer growth is narrower than that of nanoparticles for adhesion growth. This indicates that the synthetic procedure can be designed such that most individual growth trajectories follow the monomer pathway to obtain improved monodispersion of the nanoparticles.

유착 발생Adhesion occurs

나노입자 간의 유착은 중요한 성장 경로 중 하나이다. 그러나, 종래의 액상 TEM 연구는 수작업으로 셀 수 있는 수의 궤도에 의존하기 때문에, 유착을 결정하는 중요한 요소와 전체 성장 과정 동안의 간섭은 잘 이해되지 않았다. 본 발명의 실시예들에 따른 분석 방법은 양적 앙상블 분석을 위해 유착 발생을 포함하는 궤도의 그룹을 조사할 수 있다.The adhesion between nanoparticles is one of the important growth pathways. However, since conventional liquid-phase TEM studies rely on a hand-countable number of trajectories, the critical factors determining adhesion and interference during the entire growth process are not well understood. The analysis method according to the embodiments of the present invention may examine a group of trajectories including the occurrence of adhesions for quantitative ensemble analysis.

나노입자의 수는 74초와 97초 사이의 단기간에 현저하게 감소하는데, 이는 유착 기간(coalescing period)으로 정의될 수 있다. 이 기간의 존재는 나노입자 간의 유착 발생이 무작위적이 아님을 나타낸다. 이것은 유착 현상이 특정 열역학 인자에 의해 영향을 받을 수 있음을 의미한다.The number of nanoparticles decreases significantly in the short period between 74 and 97 seconds, which can be defined as the coalescing period. The presence of this period indicates that the occurrence of adhesions between nanoparticles is not random. This means that the adhesion phenomenon can be influenced by certain thermodynamic factors.

성장하는 나노입자의 크기와 유착 발생의 빈도 사이에 중요한 관계가 있는 것으로 나타난다. 유착되기 전의 나노입자의 크기는 유착이 일어나는 시간에 관계없이 유사하다. 도 4 및 도 5는 3개의 대표적인 나노입자의 TEM 이미지와 그에 상응하는 성장 궤도를 보여준다. 유착 이전에 성장하는 나노입자는 반경 1.5nm에서 성장이 지연되고 이 크기를 수 초 동안 유지한다.There appears to be an important relationship between the size of the growing nanoparticles and the frequency of adhesion occurrence. The size of the nanoparticles before adhesion is similar regardless of the time at which adhesion occurs. 4 and 5 show TEM images of three representative nanoparticles and their corresponding growth trajectories. Nanoparticles growing before adhesion delay growth at a radius of 1.5 nm and maintain this size for several seconds.

지연 시간이 지나면 1.5nm 반경의 나노입자가 유착되어 더 큰 나노입자가 형성된다. 이러한 임계 크기는 서로 다른 시간에 세 개의 유착된 나노입자에서 일관되게 관찰된다(도 5). 유착 기간을 포함하여 47초 후에 모든 유착 발생수를 계산하면 유착 전의 크기의 반경 히스토그램은 중심이 1.5nm인 좁은 분포를 보인다(도 6). 히스토그램은 0.36nm의 FWHM을 나타내며, 이는 동일한 기간, 즉 0.51nm에서 전체 나노입자에 대해 측정된 것보다 낮다. After the delay time, nanoparticles with a radius of 1.5 nm are adhered to form larger nanoparticles. This critical size is consistently observed in the three coalesced nanoparticles at different times (Fig. 5). When the number of occurrences of all adhesions are calculated after 47 seconds including the adhesion period, the radius histogram of the size before adhesion shows a narrow distribution with a center of 1.5 nm (FIG. 6). The histogram shows an FWHM of 0.36 nm, which is lower than that measured for all nanoparticles at the same period, i.e. 0.51 nm.

반응이 진행함에 따라 평균 크기가 지속적으로 증가하는 반면, 서로 다른 시간에 유착하는 나노입자의 반지름은 비슷하다(도 7). 모든 나노입자의 평균 크기가 1.5nm 이상으로 증가하는 유착 기간에서, 임계 크기를 갖는 나노 입자의 분율은 높다. 따라서 유착 현상이 지배적이다. 이것은 유착 기간에 나노 입자의 수를 감소시킨다.While the average size continuously increases as the reaction proceeds, the radii of the nanoparticles adhering at different times are similar (FIG. 7). In the adhesion period when the average size of all nanoparticles increases to 1.5 nm or more, the fraction of nanoparticles with critical size is high. Therefore, adhesion phenomenon is dominant. This reduces the number of nanoparticles in the adhesion period.

유착 성장과 모노머 성장 간 관계Relationship between adhesion growth and monomer growth

유착 궤도에서 임계 크기의 존재는 이 임계 크기가 단량체 성장의 동역학에서 중요한 역할을 할 가능성이 있다고 가정한다. Pt 나노입자의 개별 성장 궤도에서, 경로 유형에 관계없이, 임계 크기에 가까운 느린 성장 속도가 일관되게 관찰된다. 이 거동에 대한 통계 분석을 수행한다. 먼저 평활화 후에 각 입자에 대해 얻어진 반경-시간 플롯을 미분하여 개별 나노입자의 성장 속도를 결정한다.The presence of a critical size in the coalescence orbit assumes that this critical size is likely to play an important role in the kinetics of monomer growth. In individual growth trajectories of Pt nanoparticles, a slow growth rate close to the critical size is consistently observed, regardless of the path type. Statistical analysis of this behavior is performed. First, after smoothing, the radius-time plot obtained for each particle is differentiated to determine the growth rate of individual nanoparticles.

하나의 시간 프레임에서 단량체 경로를 따르는 모든 입자의 성장 속도는 입자 반경으로 정렬되고 유사한 반경 범위에 걸쳐 평균화된다. 이 단계는 매 시간 프레임마다 반복된다. 반경이 약 1.5nm인 나노입자의 성장 속도는 다른 크기의 나노 입자의 성장속도보다 낮다(도 8). 특정 크기에서의 이러한 지연은 각 프레임에서 왜곡된 크기 분포를 초래한다(도 9).The growth rates of all particles along the monomer path in one time frame are aligned with the particle radius and averaged over a similar radius range. This step is repeated every time frame. The growth rate of nanoparticles having a radius of about 1.5 nm is lower than that of nanoparticles of other sizes (FIG. 8). This delay at a certain size results in a distorted size distribution in each frame (Fig. 9).

예를 들어, 유착 기간이 시작되기 전에 53초에서 이 크기에서 느린 단량체 성장으로 인해 1.5nm 반경의 입자가 축적되어 더 낮은 값으로 테일링되는 가우시안 분포를 갖는 부정적으로 왜곡된 크기 분포를 초래한다(도 9 및 도 10). 반응이 진행되고 평균 크기가 증가함에 따라, 나노입자가 임계 크기보다 더 크게 성장하므로 나노입자의 성장 속도가 회복되기 때문에 왜곡이 반대가 된다(도 9 및 도 11). 1.5nm 반경의 나노입자의 느린 성장과 왜곡 변화는 이들 나노입자가 다른 크기의 나노입자보다 더 안정하다는 것을 나타낸다.For example, at 53 seconds before the start of the adhesion period, slow monomer growth at this size accumulates particles with a radius of 1.5 nm, resulting in a negatively distorted size distribution with a Gaussian distribution tailored to a lower value (Fig. 9 and 10). As the reaction proceeds and the average size increases, since the nanoparticles grow larger than the critical size, the growth rate of the nanoparticles is restored, and the distortion is reversed (FIGS. 9 and 11 ). The slow growth and distortion changes of the 1.5 nm radius nanoparticles indicate that these nanoparticles are more stable than other sized nanoparticles.

임계 반경이 1.5nm인 나노입자는 유착 발생의 빈도가 높을 뿐 아니라 단량체 성장에서 낮은 성장 속도를 나타내어 두 경로 사이에 상관 관계가 있음을 나타낸다. 단량체 성장이 임계 크기 근처에서 지연됨에 따라, 나노입자는 단량체 및 리간드 농도를 포함하는 용액 내의 열역학 인자에 의해 결정되는 바와 같이, 대안적인 경로, 즉 유착을 통해 성장하여 최종 크기에 도달한다. 이 거동은 매직 크기를 통합한 나노입자의 이산 성장 프로파일에서도 관찰된다. 매직 크기의 나노입자는 열역학적으로 안정한 독특한 구조를 가지고 있어 낮은 성장 속도와 높은 밀도를 나타낸다. 매직 크기의 나노입자는 유착이 일어나 다결정 나노 입자를 형성하기 쉽다. 임계 크기를 갖는 나노입자 형성과 매직 크기의 나노입자 사이의 유사성은 임계 크기를 갖는 Pt 나노입자가 유착되기 전에 일시적으로 열역학적으로 안정한 리간드 복합체를 형성한다는 것을 의미한다.Nanoparticles with a critical radius of 1.5 nm exhibit a high frequency of adhesion and a low growth rate in monomer growth, indicating a correlation between the two pathways. As the monomer growth is delayed near the critical size, the nanoparticles grow through an alternative route, ie adhesion, to reach their final size, as determined by the thermodynamic factor in the solution including the monomer and ligand concentration. This behavior is also observed in the discrete growth profile of nanoparticles incorporating the magic size. The magic-sized nanoparticles have a unique thermodynamically stable structure, resulting in low growth rate and high density. The magic-sized nanoparticles are easy to form polycrystalline nanoparticles due to adhesion. The similarity between the formation of the nanoparticles with the critical size and the nanoparticles of the magic size means that the Pt nanoparticles with the critical size temporarily form a thermodynamically stable ligand complex before adhesion.

크기 size 포커싱Focusing 동안 나노입자의 단량체 성장 Monomer growth of nanoparticles during

성장하는 Pt 나노입자는 120초까지 입자 크기가 증가함에 따라 점차적으로 단분산을 달성한다. 단량체 성장이 지배적인 영역의 시계열 TEM 이미지, 해당 이진화 이미지 및 크기 막대 그래프가 도 12에 나와 있다. 이 기간 동안 입자의 수는 동일하게 유지된다.Growing Pt nanoparticles gradually achieve monodispersion as the particle size increases up to 120 seconds. A time series TEM image of a region dominated by monomer growth, a corresponding binarization image, and a size bar graph are shown in FIG. 12. During this period, the number of particles remains the same.

크기 분포는 제1 영역, 즉 55초에서 75초까지 21.1%에서 15.4%로 변하고, 제2 영역, 즉 95초에서 115초까지 13.8%에서 12.1%로 변한다. 유착 없이 성장하는 5개의 대표적인 나노입자의 크기 변화가 도 13에 도시되어 있다. 나노 입자의 크기는 80초 1.4nm에서 120초 2.1nm로 증가하는 반면(도 13의 녹색 점) 다른 나노입자의 크기는 같은 기간 동안 1.8nm에서 2.3nm로 증가한다(도 13의 청색 점). 이것은 더 작은 나노입자가 더 큰 나노입자보다 빠르게 성장한다는 것을 보여준다.The size distribution varies from 21.1% to 15.4% in the first region, ie from 55 to 75 seconds, and from 13.8% to 12.1% in the second region, from 95 to 115 seconds. The size change of five representative nanoparticles growing without adhesion is shown in FIG. 13. The size of the nanoparticles increases from 1.4 nm in 80 seconds to 2.1 nm in 120 seconds (green dot in FIG. 13), while the size of other nanoparticles increases from 1.8 nm to 2.3 nm in the same period (blue dot in FIG. 13). This shows that smaller nanoparticles grow faster than larger nanoparticles.

이 성장 패턴에 대한 더 많은 통계 정보를 얻기 위해 단량체 성장 후 110개의 개별 나노입자 성장 속도를 측정한다. 도 8, 도 14, 및 도 15에 도시된 바와 같이 성장 속도 및 반경이 임계 크기, 즉 1.5nm 근처의 지연 성장 속도를 제외하고는 음의 상관 관계를 갖는다. 이러한 경향은 고전적 결정화 이론에 기초하여 확립된 나노입자의 크기 조절 메커니즘과 일치한다. 나노입자의 성장 속도(dr/dt)는 식 1에서 표현된 바와 같이 그의 반경(r)에 의존한다.To get more statistical information about this growth pattern, we measure the growth rate of 110 individual nanoparticles after monomer growth. As shown in FIGS. 8, 14, and 15, the growth rate and radius have a negative correlation except for the critical size, that is, the delayed growth rate near 1.5 nm. This trend is consistent with the mechanisms for controlling the size of nanoparticles established on the basis of classical crystallization theory. The growth rate (dr/dt) of a nanoparticle depends on its radius (r) as expressed in Equation 1.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

식 1에서 [M]은 용액의 벌크에서의 단량체 농도이고, C0 flat는 평탄한 계면에서 평형 상태에 있는 단량체의 용해도이고, γ는 단위 면적당 표면 자유 에너지이며, Vm은 결정에서 단량체의 몰 부피이고, R은 일반적인 기체 상수, T는 온도, D는 확산 상수, k는 반응 속도 상수, α는 일반적으로 0.5로 설정되는 전달 상수이다.In Equation 1, [M] is the monomer concentration in the bulk of the solution, C 0 flat is the solubility of the monomer in equilibrium at a flat interface, γ is the surface free energy per unit area, and Vm is the molar volume of the monomer in the crystal. , R is the general gas constant, T is the temperature, D is the diffusion constant, k is the reaction rate constant, and α is the transfer constant, usually set to 0.5.

식 1에서, 반응 속도 계수에 대한 확산 상수의 비율은 나노입자 성장 속도를 결정하는 중요한 인자이다. 다량의 단량체([M] >> C0 flat)를 갖는 확산 제어 성장(D >> k)의 경우, 성장 속도와 반지름은 음의 관계를 가지며, 보다 작은 나노입자는 큰 것보다 더 높은 성장 속도를 나타낸다. 결과적으로, 나노입자는 시간이 지남에 따라 단분산을 나타낸다. 또한, Lifshitz-Slyozov-Wagner 모델을 시간의 함수로서 크기 변화에 적용함으로써, 단량체 성장이 임계 크기 주변의 속도 지연을 포함하는 확산 제어 경로를 따른다는 것을 알 수 있다.In Equation 1, the ratio of the diffusion constant to the reaction rate coefficient is an important factor in determining the nanoparticle growth rate. In the case of diffusion-controlled growth (D >> k) with a large amount of monomer ([M] >> C 0 flat ), the growth rate and radius have a negative relationship, and the smaller nanoparticles have a higher growth rate than the larger one. Represents. As a result, the nanoparticles exhibit monodisperse over time. In addition, by applying the Lifshitz-Slyozov-Wagner model to the size change as a function of time, it can be seen that the monomer growth follows a diffusion control path that includes a rate delay around the critical size.

성장하는 Pt 나노입자의 크기 분포가 점차적으로 좁아지는 관찰의 초기 단계에서 단량체 농도는 높고 성장 조건은 확산 제어로 간주될 수 있다. Pt 나노입자는 성장하는 입자 표면으로의 단량체 확산을 늦추는 장쇄 올레일아민 리간드로 캐핑된다.In the early stages of observation, where the size distribution of the growing Pt nanoparticles gradually narrows, the monomer concentration is high and the growth conditions can be regarded as diffusion control. Pt nanoparticles are capped with long chain oleylamine ligands that slow the diffusion of the monomer to the surface of the growing particles.

오스트발트Ostwald 숙성에 의한 나노입자의 Of nanoparticles by aging 디포커싱Defocusing

나노입자 성장의 후기 단계, 즉 약 120초 후에, Pt 나노입자의 성장은 디포커싱 단계로 들어가고, 크기 분포가 증가한다(도 16). 이는 식 1에 기초한 오스트발트 숙성에 의해 설명될 수 있다. 오스트발트 숙성에서, 단량체 공급이 제한되어 큰 표면 에너지를 갖는 작은 나노입자의 용해가 현저히 나타나고 용해된 종은 낮은 표면 에너지를 갖는 큰 나노 입자의 성장에 소비될 수 있다. 결과적으로, 보다 큰 나노 입자는 보다 작은 나노 입자보다 빠른 성장 속도를 나타내며, 크기 분포는 낮은 단량체 농도에서 다분산성(polydispersity)을 나타낸다. 시계열 TEM 이미지, 해당 이진화 이미지 및 그 히스토그램은 약 120초 후에 나노입자가 다분산성이 된다는 것을 보여준다. 나노입자 크기의 표준 편차는 122초 10.7%에서 180초에서 13.4%로 증가한다(도 16).After the late stage of nanoparticle growth, ie, about 120 seconds, the growth of Pt nanoparticles enters the defocusing stage, and the size distribution increases (Fig. 16). This can be explained by Ostwald ripening based on Equation 1. In Ostwald ripening, the monomer supply is limited, so that the dissolution of small nanoparticles with large surface energy is remarkable, and the dissolved species can be consumed for the growth of large nanoparticles with low surface energy. As a result, larger nanoparticles exhibit faster growth rates than smaller nanoparticles, and the size distribution exhibits polydispersity at lower monomer concentrations. Time-series TEM images, corresponding binarized images, and their histograms show that nanoparticles become polydisperse after about 120 seconds. The standard deviation of the nanoparticle size increases from 10.7% in 122 seconds to 13.4% in 180 seconds (Fig. 16).

디포커싱(defocusing) 단계는 개별 나노입자를 추적하여 체계적으로 조사된다. 도 17은 5개의 대표적인 나노입자를 보여준다. 2.4nm의 반경을 가진 나노입자의 크기는2.7nm로 증가하는 반면(도 17에서 황색), 2.2nm의 반경을 가진 나노입자의 크기는 단지 2.3nm로 증가한다(도 17에서 녹색). 이것이 성장 속도 측정의 전반적인 경향이다.The defocusing step is systematically investigated by tracking individual nanoparticles. 17 shows five representative nanoparticles. The size of the nanoparticles with a radius of 2.4 nm increases to 2.7 nm (yellow in Fig. 17), while the size of the nanoparticles with a radius of 2.2 nm increases to only 2.3 nm (green in Fig. 17). This is the overall trend of measuring growth rate.

크기에 따른 성장 속도는 고전적 이론에서 디포커싱의 특징인 양의 상관 관계를 보인다(도 18). 또 반응이 최종 단계로 진행함에 따라 전반적인 성장 속도가 감소한다. 이 기간 동안, 나노입자의 일정한 수에 의해 나타나는 바와 같이 유착 발생이 현저하게 억제된다. 나노입자가 약 1 ~ 2nm의 매우 짧은 거리 내에 있을 때에도 도 19와 같이 오랜 시간 동안 유착되지 않는다. 이는 더 큰 나노 입자가 본질적으로 표면 에너지가 낮고 활성화 에너지가 높기 때문에 유착을 위한 상당한 수의 표면 리간드를 분리하기 때문이다. 이 결과는 성장하는 나노입자가 디포커싱 단계에 진입하여 단량체가 반응에서 소비될 때 오스트발트 숙성이 지배적이 된다는 것을 보여준다.Growth rate according to size shows a positive correlation, which is a characteristic of defocusing in classical theory (Fig. 18). Also, as the reaction proceeds to the final stage, the overall growth rate decreases. During this period, the occurrence of adhesion is remarkably suppressed as indicated by the constant number of nanoparticles. Even when the nanoparticles are within a very short distance of about 1 to 2 nm, they do not adhere for a long time as shown in FIG. 19. This is because the larger nanoparticles inherently have a low surface energy and a high activation energy, which separates a significant number of surface ligands for adhesion. These results show that Ostwald ripening becomes dominant when the growing nanoparticles enter the defocusing stage and the monomers are consumed in the reaction.

액상 TEM으로부터 얻은 앙상블 인 시츄 궤도를 계산적으로 분석하여 Pt 나노입자의 성장 메커니즘을 조사할 수 있다. 개별 나노입자의 엄청난 수의 성장 궤도는 고유한 기본 특성을 기반으로 유착 성장 및 단량체 성장 경로로 성공적으로 분류된다. 임계 크기가 유착과 단량체 경로 모두에서 중요한 역할을 하며, 임계 크기를 갖는 나노입자는 빈번히 유착하고 낮은 성장 속도를 나타낸다. 또, 단량체 경로를 따르는 나노입자는 확산 제어 성장 조건 하에서 예측되는 성장 속도와 크기 사이의 전형적인 음의 상관 관계를 나타낸다. 분기 성장 경로의 각 카테고리에서 다른 기계론적 특징은 크기 단분산의 전반적인 발전에 광범위하게 기여한다. 또, 오스트발트 숙성이 단량체가 후기 단계에서 소비될 때 크기 분포를 넓히는 경로로서 지배적이 된다. 따라서, 나노입자 성장 메커니즘을 이해하기 위해서는 복잡성, 개별 및 나노 입자의 앙상블(ensemble)의 상이한 수준에서 실험적 확인이 필요하다. 이러한 접근법으로부터 얻은 운동 및 열역학 인자를 결정하고 조절하면 합성 제어를 향상시킬 수 있고, 이에 의해 높은 단분산도를 갖는 나노입자를 얻을 수 있다.The growth mechanism of Pt nanoparticles can be investigated by computationally analyzing the ensemble-in-situ orbitals obtained from liquid TEM. The growth trajectories of the enormous number of individual nanoparticles are successfully classified into cohesive growth and monomer growth pathways based on their intrinsic basic properties. Critical size plays an important role in both adhesion and monomer pathways, and nanoparticles with critical size adhere frequently and show a low growth rate. In addition, nanoparticles along the monomeric pathway exhibit a typical negative correlation between predicted growth rate and size under diffusion controlled growth conditions. Different mechanistic features in each category of branching growth pathways contribute broadly to the overall development of size monovariance. In addition, Ostwald ripening becomes dominant as a pathway to widen the size distribution when monomers are consumed in the later stages. Thus, understanding the mechanisms of nanoparticle growth requires experimental confirmation at different levels of complexity, individual and ensemble of nanoparticles. Determining and controlling the kinetic and thermodynamic factors obtained from this approach can improve synthesis control, thereby obtaining nanoparticles with high monodispersity.

[전자현미경 이미지 분석 방법의 일 예][An example of an electron microscope image analysis method]

액상 Liquid TEMTEM 측정(Liquid cell Measurement (Liquid cell TEMTEM measurement) measurement)

인 시츄 TEM 실험을 위해, TEM 홀더와 양립될 수 있는 액체 셀을 준비한다. 액체 셀은 2개의 100μm 두께의 셀 바디와 2개의 25nm 두께의 Si3N4 윈도우 및 100nm 두께의 스페이서로 구성된다. 4mg의 Pt(acac)2와 올레일아민을 디클로로 벤젠에 혼합하여 전구체 용액을 제조하고, 상기 전구체 용액 0.5μL를 셀 저장소에 로딩한다. 여분의 용액을 여과지로 흡수한 후, 상기 액체 셀을 진공 그리스를 사용하여 600μm 구멍 격자로 밀봉한다. 나노입자의 성장을 모니터링한다. 인 시츄 TEM 이미지를 1fps의 프레임 속도로 얻는다.For in situ TEM experiments, prepare a liquid cell compatible with the TEM holder. The liquid cell consists of two 100 μm thick cell bodies, two 25 nm thick Si 3 N 4 windows and 100 nm thick spacers. A precursor solution is prepared by mixing 4 mg of Pt(acac) 2 and oleylamine in dichlorobenzene, and 0.5 μL of the precursor solution is loaded into a cell reservoir. After absorbing the excess solution with filter paper, the liquid cell is sealed with a 600 μm pore grid using vacuum grease. Monitor the growth of nanoparticles. In-situ TEM images are acquired at a frame rate of 1 fps.

이미지 처리(Image processing)Image processing

TEM 이미지에서 노이즈는 높은 콘트라스트를 갖는 임의의 픽셀로 이어져 이진화 이미지의 생성을 방해한다. 따라서, 비너 필터를 사용하여 노이즈를 제거하고, 감마보정을 사용하여 상기 TEM 이미지의 감마값을 조정하며, 가우시안(Gaussian)를 사용하여 가우시안 노이즈를 제거한다.In the TEM image, noise leads to random pixels with high contrast, hindering the generation of binarized images. Accordingly, noise is removed using a biner filter, gamma value of the TEM image is adjusted using gamma correction, and Gaussian noise is removed using Gaussian.

상기 TEM 이미지를 국소 라플라시안 필터링하여 TEM 이미지의 입자의 에지 콘트라스트가 향상된다. 라플라시안 필터링은 미미한 콘트라스트 변화를 제거하고 높은 콘트라스트 변화를 강조하여 입자 식별의 정확성을 향상시킨다. 마지막으로, TEM 이미지는 적응형 이진화로 이진화되어 액상 TEM 이미지의 배경 노이즈가 보정된다. 이진화 후에는 4 픽셀보다 작은 크기의 사소한 대상이 제거된다.Local Laplacian filtering of the TEM image improves the edge contrast of the particles of the TEM image. Laplacian filtering improves the accuracy of particle identification by removing minor contrast changes and highlighting high contrast changes. Finally, the TEM image is binarized with adaptive binarization to correct the background noise of the liquid TEM image. After binarization, small objects with a size smaller than 4 pixels are removed.

앙상블 분석(Ensemble analysis)Ensemble analysis

나노입자 추적은 일련의 TEM 이미지에서 나노입자 사이의 위치와 크기로 정의된 상관 계수를 비교함으로써 수행된다. 상관 인자(F)는 다음과 같이 정의된다.Nanoparticle tracking is performed by comparing the correlation coefficient defined by the location and size between the nanoparticles in a series of TEM images. The correlation factor (F) is defined as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, xn과 yn은 n번째 프레임에서 나노입자의 x 및 y 위치이고,

Figure pat00003
은 n번째 프레임에서 나노입자의 면적이다. 연속 프레임에서 최소 상관 인자를 갖는 나노입자는 동일한 궤도로 그룹화된다. 이미지 드리프트는 모든 추적된 입자의 질량 변화의 중심을 사용하여 보정된다. 상기 드리프트로 인해 인 시츄 TEM 무비(movie)에서 고정 시야 내외로 움직이는 입자는 성장 메커니즘에 대한 추가 분석을 위해 제외된다. 유역(watershed) 알고리즘은 인접한 입자를 분리하는데 사용된다. 정렬을 위해 전자빔이 강하게 조사되는 영역은 비정상적으로 높은 단량체 농도를 포함하여 다른 화학적 조건을 가질 수 있기 때문에 앙상블 분석에서 제외된다.Here, x n and y n are the x and y positions of the nanoparticles in the nth frame,
Figure pat00003
Is the area of the nanoparticle in the nth frame. Nanoparticles with the least correlation factor in successive frames are grouped into the same trajectory. Image drift is corrected using the center of mass change of all traced particles. Particles moving in and out of the fixed field of view in the in-situ TEM movie due to the drift are excluded for further analysis of the growth mechanism. The watershed algorithm is used to separate adjacent particles. The area to which the electron beam is strongly irradiated for alignment is excluded from the ensemble analysis because it may have other chemical conditions including abnormally high monomer concentration.

성장 속도 분석(Analysis of growth rate)Analysis of growth rate

개별 입자의 크기에 대한 정량 분석은 계산 알고리즘을 이진화된 이미지에 적용하여 수행된다. 개개의 나노 입자의 크기 정보는 이진화된 이미지에서 개개의 입자를 나타내는 영역의 픽셀 수를 계산함으로써 얻어진다. 유효 반경(r)은

Figure pat00004
의 관계를 사용하여 구한다. 여기서 A는 개별 나노 입자가 차지하는 면적이다. TEM 이미지의 아티팩트에서 비롯되는 입자 반경의 시간 프로파일에서 노이즈를 부드럽게 하기 위해 단계 번호가 10인 고속 푸리에 변환(FFT) 필터가 적용된다. 시간의 함수로서 성장 속도는 평활화된 반경 프로파일을 시간에 대해 미분함으로써 계산된다. 각 시간 프레임에 대한 성장 속도 대 크기 플롯은 0.2nm의 윈도우 크기를 갖는 박스-카-이동 평균법을 사용하여 얻어진다. 작은 데이터 포인트에서 발생하는 통계적 오류를 줄이기 위해 4포인트 미만으로부터 평균화된 데이터 포인트는 제거된다.Quantitative analysis of the size of individual particles is performed by applying a computational algorithm to the binarized image. The size information of individual nanoparticles is obtained by calculating the number of pixels in the region representing the individual particles in the binarized image. The effective radius (r) is
Figure pat00004
Find using the relationship of. Where A is the area occupied by individual nanoparticles. A Fast Fourier Transform (FFT) filter with step number 10 is applied to smooth out the noise in the temporal profile of the particle radius resulting from the artifacts of the TEM image. The growth rate as a function of time is calculated by differentiating the smoothed radius profile over time. The growth rate versus size plot for each time frame is obtained using a box-car-moving averaging method with a window size of 0.2 nm. Data points averaged from less than 4 points are removed to reduce statistical errors that occur with small data points.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, specific examples of the present invention have been described. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

전자현미경 이미지를 획득하는 단계;
상기 전자현미경 이미지를 처리하여 이진화 이미지를 형성하는 단계; 및
상기 이진화 이미지를 분석하는 단계를 포함하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
Obtaining an electron microscope image;
Processing the electron microscope image to form a binarized image; And
Electron microscope image analysis method comprising the step of analyzing the binarized image.
제 1 항에 있어서,
상기 전자현미경 이미지는 적응형 이진화 알고리즘을 이용하여 적응형 이진화로 이진화되는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The electron microscope image analysis method, wherein the electron microscope image is binarized by adaptive binarization using an adaptive binarization algorithm.
제 2 항에 있어서,
상기 이진화에 의해 상기 전자현미경 이미지의 배경 노이즈가 보정되는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 2,
An electron microscope image analysis method, characterized in that the background noise of the electron microscope image is corrected by the binarization.
제 1 항에 있어서,
상기 전자현미경 이미지를 처리하는 것은,
상기 전자현미경 이미지의 노이즈를 제거하는 것과
상기 전자현미경 이미지의 에지 콘트라스트를 증가시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
Processing the electron microscope image,
Removing noise from the electron microscope image and
And increasing the edge contrast of the electron microscope image.
제 4 항에 있어서,
상기 전자현미경 이미지의 노이즈를 제거하는 것은 비너 필터 및 가우시안 필터를 사용하여 수행되고,
상기 전자현미경 이미지의 에지 콘트라스트를 증가시키는 것은 라프라시안 필터를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 4,
Removing noise from the electron microscope image is performed using a biner filter and a Gaussian filter,
The electron microscope image analysis method, characterized in that increasing the edge contrast of the electron microscope image is performed using a Laprasian filter.
제 4 항에 있어서,
상기 전자현미경 이미지를 처리하는 것은,
감마보정을 사용하여 상기 전자현미경 이미지의 감마값을 조정하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 4,
Processing the electron microscope image,
The electron microscope image analysis method further comprising adjusting a gamma value of the electron microscope image using gamma correction.
제 1 항에 있어서,
상기 이진화 이미지는 컴퓨터를 이용하여 분석되는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The electron microscope image analysis method, characterized in that the binarized image is analyzed using a computer.
제 1 항에 있어서,
상기 전자현미경 이미지는 나노입자 이미지를 포함하고,
상기 이진화 이미지를 분석하는 것은,
상기 나노입자의 크기와 위치를 분석하는 것과
상기 나노입자의 성장 속도를 분석하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The electron microscope image includes an image of nanoparticles,
Analyzing the binarized image,
Analyzing the size and location of the nanoparticles and
Electron microscope image analysis method comprising analyzing the growth rate of the nanoparticles.
제 8 항에 있어서,
상기 나노입자의 크기와 위치는 앙상블 분석법을 이용하여 분석되는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.
The method of claim 8,
Electron microscope image analysis method, characterized in that the size and position of the nanoparticles are analyzed using an ensemble analysis method.
제 1 항에 있어서,
상기 전자현미경 이미지는 액상 투과전자현미경 이미지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자현미경 이미지 분석 방법.



The method of claim 1,
The electron microscope image analysis method of an electron microscope image, characterized in that it comprises a liquid transmission electron microscope image.



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