自二十世纪三十年代电子显微镜诞生以来，人类对于微观世界的探索便从未止步。随着球差校正器（Aberration Corrector）在二十一世纪初的商业化应用，扫描透射电子显微镜（STEM）的分辨率突破了亚埃（sub-ångström）极限，使得人类能够直接观察到晶体材料中的原子柱排列。这一硬件层面的飞跃将材料科学推向了一个全新的维度：我们不再仅仅满足于观察材料的显微组织，而是开始追求在原子尺度上理解材料的构效关系。然而，硬件的进步同时也带来了巨大的数据处理压力。一张典型的高分辨率 HAADF-STEM（高角环形暗场像）图像包含数百万甚至上千万个像素，其中蕴含着成百上千个原子柱的位置、强度及形状信息。对于功能材料，特别是铁电体、多铁性材料及催化剂而言，决定其宏观物理性能（如极化强度、催化活性）的往往是原子位置的微小偏移（通常在几皮米至几十皮米量级）或晶格的微小畸变。因此，如何从海量的像素数据中快速、精准地提取出每一个原子的坐标信息，即“定量电子显微学”（Quantitative Electron Microscopy），成为了连接微观结构与宏观性能的关键桥梁。
近期，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室的武海军教授团队在微结构领域顶刊（位列Q1分区）《微观结构》（Microstructures）上发表题为“STEMax_PF: accurate and fast peak-finding for atom quantitative analysis”（STEMax_PF：面向原子定量分析的精准快速寻峰软件）的论文，成功开发了名为STEMax_PF的软件，软件集成了多种先进的图像处理算法，实现了原子寻峰的自动化与高通量化。软件通过融合自适应阈值分割、快速归一化互相关及改进的加权超定回归算法，在普通计算机上实现了对数千个原子柱的秒级处理速度（约140原子/秒），且在极低信噪比下仍能保持皮米级别的定位精度。该工具的问世，为铁电极化、晶格畸变及界面结构的高通量统计分析提供了强有力的技术支撑。
图1. 三种主要算法的示意图。a) 通过自适应阈值方法提取单个原子团簇，随后对每个团簇应用质心法以获得初步的原子位置。b) 生成平均模板并利用其在原始图像中定位匹配位置。c) 对于每个峰值，提取 Imax、半高宽（FWHM）、背景噪声以及质心坐标，以估计所有高斯拟合参数，从而得出高精度的原子坐标。
其创新点主要体现在以下几个方面：
1. “自适应阈值+积分图”策略，攻克不均匀背景难题
针对STEM图像中常见的样品背景起伏，研究团队引入了基于积分图（Integral Image）的自适应阈值算法。该算法能动态感知局部背景强度变化，将原子柱从复杂背景中精准剥离，不仅显著提升了质心法的初始定位精度，还通过积分图技术极大降低了计算耗时。
2. 引入快速归一化互相关（NCC），让轻元素“无所遁形”
面对STEM电镜中氧、锂等轻元素信号微弱、易被噪声淹没的挑战，STEMax_PF内置了基于多模板平均的NCC算法。通过用户交互式选取特征模板，软件能像雷达一样在强噪声中灵敏“搜索”并锁定微弱的原子信号，有效解决了钙钛矿氧化物中氧八面体倾斜等关键结构的表征难题。
3. 改进线性化高斯回归，实现“全自动”参数估计
为了打破传统高斯拟合对人工经验的依赖，团队提出了一种改进的加权超定回归算法。该算法不仅将非线性拟合转化为高效的线性求解，还能自动从图像中估算峰值强度、半高宽及背景噪声等关键参数。这一创新使得软件无需任何人工干预即可对任意元素组合实现精准拟合，大幅降低了使用门槛。
4. 极致的计算效率与亚皮米级精度
测试显示，在普通家用电脑（Intel i5 CPU）上，STEMax_PF处理包含约5000个原子的图像仅需36秒。在信噪比为50的理想条件下，其定位精度达到~1.13pm；即便在信噪比低至5的极限条件下，误差仍控制在~4.54pm以内，兼具了质心法的速度与传统高斯拟合的精度。
5. 广泛的普适性与应用潜力
该软件支持DM3/DM4/JPG/TIF等主流电镜和图像数据格式，适用于各种晶体结构（如钙钛矿、反萤石结构等）。研究展示了其在解析铁电材料极化矢量场、热电材料晶格畸变以及复杂界面缺陷识别中的巨大潜力，为建立微观结构与宏观物理性能（如压电响应、电子-声子相互作用）的关联提供了可靠工具。
文章链接：
STEMax_PF:accurate and fast peak-finding for atom quantitative analysis https://dx.doi.org/10.20517/microstructures.2025.29
作者简介：赵志昊，西安交通大学硕士研究生（推荐免试攻读），本科毕业于西安交通大学。曾获国家奖学金、西安交通大学优秀学生、特等学业奖学金等。研究方向为球差校正电镜原子定量分析方法技术开发，通过先进电子显微表征技术解析材料的构效关系。
武海军，教授、博士生导师，西安交通大学材料学院和金属材料强度全国重点实验室。西安交通大学学士和硕士，新加坡国立大学博士。曾任新加坡李光耀博士后研究员Lee Kuan Yew Postdoctoral Fellow（全球每年1–3人）。入选国家级青年人才计划、陕西省“三秦英才”青年人才等。作为首席科学家牵头重点研发计划“智能传感器”青年科学家项目，主持国家自然科学基金面上项目2项。荣获查理斯·哈契特奖Charles Hatchett Award（国际铌材料重大成果奖）、小米青年学者等。担任中国材料研究学会热电材料及应用分会理事和中国硅酸盐学会微纳技术分会理事。担任J. Adv. Dielect.编委和Sci. China Mater.、SusMat、InfoMat、Interdiscip. Mater.、DeCarbon等“中国科技期刊卓越行动计划”期刊的青年编委。围绕国家对于高效电子功能材料的战略需求，从事可实现力⇔电⇔热环境感知和能量转换的压电和热电材料的结构设计、机理分析及性能调控。以（共同）第一或通讯作者身份发表约100篇，包括Science, Nat. Commun. (14), Adv. Mater.系列 (20余篇), J. Am. Chem. Soc. (9篇)。SCI总被引>1.7万次，H因子69。2021–2025年连续入选“科睿唯安全球高被引学者”。
