TCMEP Datasets

该仓库包含两个用于演示的数据集：1. 模拟数据集，位于`20241120_TCMEPsimul`文件夹中，包含以.mat格式存储的原始4D-STEM数据集，参数包括总剂量和最大倾斜角度；2. 实验数据集，包括扭曲双层SrTiO3和Pr掺杂的Ca2Co2O5薄膜，分别位于`20241120_TwistSTO_exp`和`20241219_PCCO_exp`文件夹中，包含准备好的数据集和重建所需的初始化参数。

This repository contains two demonstration datasets:
1. The simulation dataset, located in the `20241120_TCMEPsimul` folder, contains raw 4D-STEM datasets stored in .mat format, with accompanying parameters including total dose and maximum tilt angle;
2. The experimental datasets, consisting of twisted bilayer SrTiO3 and Pr-doped Ca₂Co₂O₅ thin films, are stored in the `20241120_TwistSTO_exp` and `20241219_PCCO_exp` folders respectively, and contain preprocessed datasets and initialization parameters required for reconstruction.

原始信息汇总

TCMEP: Tilt-Coupled Multislice Electron Ptychography 数据集概述

数据集基本信息

• 名称: Tilt-Coupled Multislice Electron Ptychography (TCMEP)
• 开发者: Zehao Dong
• 用途: 用于原子级结构重建的先进成像技术，增强深度分辨率
• 适用数据类型: 模拟数据和实验数据

数据集内容

包含的演示数据集

1. 模拟数据集

   • 位置: 20241120_TCMEPsimul
   • 格式: .mat
   • 参数:
     • 总剂量: 2.5×10⁶ e/Ų
     • 最大倾斜角度: 0°, 2°, 4°

2. 实验数据集

   • 扭曲双层SrTiO3:
     • 位置: 20241120_TwistSTO_exp
     • 子文件夹: 01, 02, 03, 04
   • Pr掺杂Ca2Co2O5薄膜:
     • 位置: 20241219_PCCO_exp
     • 子文件夹: 01, 02, 03

系统要求

软件依赖

• MATLAB版本: R2023或更新版本
• 必需工具箱:
  • Parallel Computing Toolbox
  • Curve Fitting Toolbox
  • Image Processing Toolbox
  • Optimization Toolbox
  • Signal Processing Toolbox

硬件要求

• 操作系统:
  • Windows 11 (version 22H2)
  • Ubuntu 20.04.6 LTS
• GPU: NVIDIA RTX 4090或A100 (至少15 GB显存)
• 内存: 至少60 GB RAM
• CUDA版本: 12.0

安装指南

1. 下载并解压TCMEP.zip存档
2. 在MATLAB中添加fold_slice2103_202211_copy文件夹到路径
3. 设置C编译器以编译MEX函数

运行时间估计

• 模拟数据集 (100次迭代):
  • 0°: ~0.5小时
  • 2°: ~1.3小时
  • 4°: ~2小时
• 实验数据集 (500次迭代): ~15小时

预期输出

• 位置: Expected_Outputs
• 包含:
  • 多片层对象的水平堆叠图像
  • 重建探针图像
  • 重建探针、对象和其他有用参数的.mat文件

学术许可协议

• 许可类型: 学术、非商业用途的免版税、非独占许可
• 版权归属: PAUL SCHERRER INSTITUT
• 引用要求: 使用该程序发表的任何成果需包含特定引用和致谢

搜集汇总

数据集介绍

构建方式

TCMEP数据集是基于倾斜耦合多层电子衍射成像技术（Tilt-Coupled Multislice Electron Ptychography, TCMEP）构建的，旨在通过模拟和实验数据重建原子级结构。该数据集的构建依托于MATLAB平台，结合了Paul Scherrer Institut（PSI）的Science IT和Coherent X-ray Scattering（CXS）小组的先前工作，以及Yi Jiang在X射线/电子衍射成像领域的研究成果。数据集包含模拟和实验两部分，模拟数据通过设定不同的倾斜角度生成，而实验数据则来自扭曲双层SrTiO3和Pr掺杂的Ca2Co2O5薄膜的扫描透射电子显微镜（STEM）成像。

特点

TCMEP数据集的特点在于其高分辨率和深度分辨能力，能够通过多角度倾斜数据重建三维原子结构。模拟数据集提供了不同倾斜角度（0°、2°、4°）下的4D-STEM数据，便于快速验证算法性能；实验数据集则包含了复杂的材料结构信息，如扭曲双层SrTiO3和Pr掺杂的Ca2Co2O5薄膜，适合用于深入研究材料的微观特性。此外，数据集还提供了重建所需的初始探针、随机对象和扫描位置等参数，便于用户进行精确的重建和分析。

使用方法

使用TCMEP数据集时，用户需在MATLAB环境中加载相关代码，并通过设置路径将数据集文件夹添加到MATLAB路径中。对于模拟数据集，用户可以选择不同倾斜角度的脚本进行重建；对于实验数据集，则需根据材料类型选择相应的脚本。重建过程中，用户需指定C编译器以编译MEX函数，并确保硬件配置满足要求（如NVIDIA RTX 4090或A100 GPU，至少60GB内存）。重建结果将生成多切片对象图像、探针图像及相关参数文件，便于进一步分析和验证。

背景与挑战

背景概述

TCMEP数据集由Zehao Dong开发，旨在支持倾斜耦合多层电子衍射成像技术（Tilt-Coupled Multislice Electron Ptychography, TCMEP）的研究。该技术通过增强深度分辨率，能够重建原子尺度的结构，广泛应用于材料科学和纳米技术领域。该数据集基于瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institut, PSI）的Science IT和相干X射线散射（CXS）小组的先前工作，并结合了Yi Jiang在X射线/电子衍射成像方面的研究成果。TCMEP数据集的发布为研究人员提供了一个强大的工具，用于模拟和实验数据的重建，推动了原子尺度成像技术的发展。

当前挑战

TCMEP数据集在解决原子尺度结构重建问题时面临多重挑战。首先，倾斜耦合多层电子衍射成像技术需要处理复杂的多层散射效应，这对算法的计算精度和效率提出了极高要求。其次，数据集的构建过程中，模拟和实验数据的生成与处理需要大量的计算资源和高性能硬件支持，尤其是对GPU内存和计算能力的要求极高。此外，实验数据的噪声和不确定性增加了重建过程的复杂性，要求算法具备强大的鲁棒性和适应性。这些挑战不仅体现在技术层面，也对研究人员的计算能力和数据处理能力提出了更高的要求。

常用场景

经典使用场景

TCMEP数据集在原子尺度结构重建领域具有重要应用，尤其是在电子衍射成像技术中。通过倾斜耦合多层电子衍射成像（TCMEP）技术，研究者能够以更高的深度分辨率重建材料的原子结构。该数据集广泛应用于模拟和实验数据的重建，特别是在材料科学和纳米技术领域，为研究复杂晶体结构和界面特性提供了强有力的工具。

解决学术问题

TCMEP数据集解决了传统电子衍射成像在深度分辨率上的局限性问题。通过引入倾斜耦合技术，该数据集能够更精确地重建多层材料的原子结构，尤其是在研究复杂界面和缺陷结构时表现出色。这一技术突破为材料科学、凝聚态物理等领域的研究提供了新的视角，推动了原子尺度成像技术的发展。

衍生相关工作

TCMEP数据集衍生了一系列相关研究工作，尤其是在电子衍射成像算法的优化和应用扩展方面。基于该数据集，研究者开发了多种改进的重建算法，如最大似然估计和多层衍射成像技术。这些工作不仅提升了成像的精度和效率，还为其他领域的衍射成像研究提供了参考，推动了相关技术的进一步发展。