ノイズに埋もれた電子顕微鏡データからAI が結晶の向きを自動解読 ―電子線に弱い高分子材料の微細構造解析をAIで自動化―

2026-10-08 東北大学

東北大学と科学技術振興機構(JST)の研究チームは、ノイズの多い電子顕微鏡データから、材料内部の結晶の種類や向きを自動解析する機械学習手法を開発した。対象とした4D-STEM法は、試料上の各位置で電子回折図形を取得し、結晶の微細構造を可視化する技術だが、電子線に弱い高分子材料では、試料損傷を防ぐため電子線量を抑える必要があり、測定データにノイズが多く含まれる。また、結晶の面内回転によって回折図形が変化するため、同じ結晶成分を正しく識別することも課題だった。研究チームは、自己教師あり学習によるノイズ除去技術と、結晶の回転に左右されない教師なし解析を組み合わせ、解析工程を自動化した。高分子材料であるアイソタクチックポリスチレンの実測データを用いた検証では、従来の解析結果を再現するとともに、これまで見落とされていた微量な結晶成分も検出した。本手法は、電子線に弱い材料のナノ構造解析を高精度化し、高分子をはじめとする材料研究・開発の効率化に貢献すると期待される。

ノイズに埋もれた電子顕微鏡データからAI が結晶の向きを自動解読 ―電子線に弱い高分子材料の微細構造解析をAIで自動化―
図 1. 本研究で開発した自動解析ワークフロー。4D-STEM データを深層学習モデル(4D-SSD)で雑音除去した後、極座標変換・フーリエ変換した回折図形を教師なし解析して、結晶成分の空間分布と面内回転角の分布を同定する。

<関連情報>

ノイズの多い4D-STEMデータにおける自動結晶方位マッピングのための教師なし機械学習 Unsupervised machine learning for automated crystal orientation mapping on noisy 4D-STEM data

Kai Kamijo, Motoki Shiga, Shusuke Kanomi, Tomohiro Miyata & Hiroshi Jinnai
npj Computational Materials  Published:03 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41524-026-02337-x  Early provide

Abstract

Four-dimensional scanning transmission electron microscopy (4D-STEM) is a high-throughput measurement used to comprehensively acquire diffraction patterns across a region of interest in a specimen. While the measurement is useful for identifying crystallographic microstructures, the data analysis requires significant effort owing to the complexity and high dimensionality of the data. Furthermore, the analysis of low signal-to-noise data from beam-sensitive materials such as polymers is particularly challenging. This study proposes an automatic analysis pipeline that leverages denoising and unsupervised crystallographic analysis for 4D-STEM data. The denoising method is based on a self-supervised approach that eliminates the need for clean training images. The developed method is extended to 4D-STEM data by utilizing diffraction patterns observed at neighboring probe positions. The subsequent unsupervised analysis is designed to be invariant to the crystal in-plane rotations, enabling the effective identification of crystal components. The efficacy of the proposed pipeline is evaluated using both synthetic and experimental 4D-STEM data. Quantitative evaluation for synthetic data across various noise levels demonstrates the robustness of our approach. The results from the experimental data show good agreement with expert analysis in the previous study; furthermore, the pipeline identifies minor crystallographic components that were previously overlooked. These results demonstrate that the pipeline enables robust and automated analysis with significantly reduced analysis cost.

1603情報システム・データ工学
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