सामग्री विज्ञान के लिए उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी

Feb 18, 2024

यह पेपर वर्तमान शोध प्रवृत्तियों को प्रस्तुत करता हैउन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी तकनीकसामग्री विज्ञान के लिए. सर्वेक्षण के विशेष अंक पर आधारित हैसामग्री लेनदेनअक्टूबर 2019 में प्रकाशित (खंड 60, संख्या 10)। विभिन्न सामग्रियों को चिह्नित करने के लिए उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी को बड़े पैमाने पर लागू किया गया है। बिजली के विश्लेषण का हालिया विकास और विस्तारफाईएल्ड्स और द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों की सामूहिक गतियाँबगल मेंइलेक्ट्रॉन होलोग्राफी पर विस्तार से चर्चा की गई है।[doi:10.2320/मैटरट्रांस.एमटी-एम2021086](14 मई 2021 को प्राप्त; 12 जुलाई 2021 को स्वीकृत; 3 सितंबर 2021 को प्रकाशित)

कीवर्ड:इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी, गतिशील विवर्तन, स्वस्थानी प्रयोग, विद्युत क्षेत्र, द्वितीयक इलेक्ट्रॉन

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1 परिचय

ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी(टीईएम) का उपयोग विभिन्न सूक्ष्म संरचनाओं को स्पष्ट करने के लिए किया गया हैकार्यात्मक सामग्री, औरउच्च संकल्पTEM15) का उपयोग परमाणु व्यवस्थाओं का प्रत्यक्ष निरीक्षण करने के लिए किया गया है। आपतित इलेक्ट्रॉन किरण के साथ नीचे की ओर प्रक्षेपित ऐसी विस्तृत परमाणु व्यवस्थाएं 0.1 एनएम से कम की रिज़ॉल्यूशन सीमा के साथ देखी जा सकती हैं। 0.1 एनएम और बीम स्कैनिंग सिस्टम से छोटे माइक्रोप्रोब का उपयोग करके, स्कैनिंग ट्रांसमिशनइलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी(STEM) का उपयोग प्राप्त करने के लिए किया जाता हैपरमाणु-स्तर का तात्विक मानचित्रण.69) रिज़ॉल्यूशन में इस सुधार के अलावा, शोधकर्ताओं ने चरण की जानकारी पर ध्यान केंद्रित करके नमूनों के अंदर और बाहर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के वितरण का विश्लेषण करने के लिए तकनीक विकसित की है।आपतित इलेक्ट्रॉन किरण. एक विशिष्ट तकनीक इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी है, जो इलेक्ट्रॉन तरंगों के हस्तक्षेप का उपयोग करती है।1013)

यद्यपि सामग्री विज्ञान में टीईएम के अनुप्रयोगों का वर्णन करने वाली पुस्तकों सहित कई समीक्षा और अवलोकन पत्र उपलब्ध हैं, 4,14,15) अक्टूबर 2019 में सामग्री लेनदेन (खंड 60, संख्या 10) शीर्षक के तहत एक विशेष अंक प्रकाशित किया गया था। "सामग्री विज्ञान के लिए उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी तकनीकों का विकास और अनुप्रयोग"। इस विशेष अंक में इलेक्ट्रॉनों के तरंग व्यवहार पर अनुसंधान को कवर करने वाले कुल पांच लेख शामिल हैं16,17) और इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी का उपयोग करके सामग्रियों और उपकरणों का विश्लेषण।18,19) इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी के अलावा, विभिन्न तकनीकें जैसे डार्क-फील्ड इमेजिंग और उच्च -कोण कुंडलाकार डार्क-फील्ड (HAADF) STEM अवलोकनों का उपयोग किया गया हैचार्ज-डोमेन दीवारों की विशेषताएँ बताएं(सीडीडब्ल्यू) फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों में।20) इसके अलावा, व्यापक टीईएम-आधारित विश्लेषण हाल ही में प्रकाशित हुए हैं।2123)

इस विशेष अंक के प्रकाशित होने से पहले, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान सोसायटी की 27वीं बैठक उन्नत सामग्री के लिए बहुविषयक अनुसंधान संस्थान, तोहोकू विश्वविद्यालय में "सामग्री गुणों और माइक्रोस्कोपी तकनीकों में हालिया रुझान" विषय के साथ आयोजित की गई थी। बैठक के कुछ प्रतिभागियों से कागजात एकत्र करके यह विशेष अंक तैयार किया गया था। इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी के बारे में, समीक्षा लेख उपलब्ध हैं। 13,24) इसके अलावा, "इलेक्ट्रॉन इंटरफेरेंस माइक्रोस्कोपी" पर एक माइक्रोस्कोपी विशेष अंक हाल ही में प्रकाशित हुआ है। 2535) निम्नलिखित अनुभागों में, हम सामग्री लेनदेन (खंड 60) के विशेष अंक की समीक्षा करते हैं। क्रमांक 10), और विशेष अंक से संबंधित हमारे अनुसंधान समूह के नवीनतम अनुसंधान विकास प्रस्तुत करते हैं।

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2. विशेषांक की समीक्षा

2.1 इलेक्ट्रॉन भंवर किरणों का उत्पादन और नियंत्रण

"सामग्री विज्ञान के लिए उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी तकनीकों के विकास और अनुप्रयोग" पर विशेष सामग्री लेनदेन अंक में, हरदा एट अल.16) ने स्पष्ट करने के लिए फोकस्ड-आयन-बीम (एफआईबी) उपकरणों द्वारा निर्मित कांटा-आकार की झंझरी का उपयोग करके भंवर बीम उत्पन्न करने की सूचना दी। भंवर किरणों का प्रदर्शन. उन्होंने एक छोटे-कोण इलेक्ट्रॉन विवर्तन ऑप्टिकल सिस्टम36) का उपयोग करके भंवर बीम उत्पन्न किए और उद्घाटन के आकार और आकार को बदलकर भंवर बीम को सफलतापूर्वक नियंत्रित किया। इलेक्ट्रॉन भंवर किरणें ing3740) के प्रसार के दौरान कोणीय संवेग को ले जा सकती हैं और संभावित रूप से इन-प्लेन घटकों (इलेक्ट्रॉन बीम के लंबवत) के अलावा, इसके कोणीय गति के कारण नमूना विमान के लंबवत चुंबकीय प्रवाह का पता लगाने के लिए उपयोग किया जा सकता है। लॉरेंज बल के कारण चुंबकीय प्रवाह।4143) इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन भंवर बीम का उपयोग संभावित रूप से माइक्रोफैब्रिकेशन और चुंबकीयकरण नियंत्रण के लिए किया जा सकता है। इन संभावित अनुप्रयोगों से संकेत मिलता है कि इलेक्ट्रॉन भंवर बीम और अन्य विस्तारित इलेक्ट्रॉन बीम जैसे बेसेल बीम संभावित अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉन बीम प्रौद्योगिकियां हैं।4447)


2.2 इलेक्ट्रॉन चरण बदलाव पर गतिशील इलेक्ट्रॉन विवर्तन का प्रभाव

उपर्युक्त सामग्री लेनदेन विशेषांक में अकासे और अन्य शामिल हैं।' 17) ब्रैग विवर्तन स्थिति के आसपास एकल-क्रिस्टल सी के पच्चर के आकार के नमूने से रिकॉर्ड किए गए इलेक्ट्रॉन होलोग्राम में चरण शिफ्ट4851 पर गतिशील इलेक्ट्रॉन विवर्तन के प्रभाव की जांच। उनके नतीजे बताते हैं कि प्रभावी आंतरिक क्षमता घटना इलेक्ट्रॉन बीम की दिशा पर निर्भर करती है, खासकर ब्रैग स्थिति के पास। इलेक्ट्रॉन विवर्तन के गतिशील सिद्धांत का उपयोग करके विशेषता चरण बदलाव का विश्लेषण किया गया है।52)

चित्र 1 उज्ज्वल-क्षेत्र छवियां, पुनर्निर्मित चरण छवियां, और चरण-शिफ्ट प्रोफाइल को (ए) के बिना और (बी) 22 0 ब्रैग स्थिति के साथ दिखाता है। जब नमूना ब्रैग स्थिति को संतुष्ट नहीं करता है, तो चरण बदलाव नमूना मोटाई के अनुपात में बढ़ जाता है, जैसा कि चित्र 1 (ए) में दिखाया गया है। हालाँकि, जब नमूना 22 {{13 }} ब्रैग स्थिति को संतुष्ट करता है, जैसा कि चित्र 1 (बी) में दिखाया गया है, तो चरण-शिफ्ट उन स्थानों पर ³ रेडियन कूदता है, जहां संबंधित उज्ज्वल-क्षेत्र छवि में गहरे मोटाई के फ्रिंज दिखाई देते हैं। इन ³ रेडियन छलाँगों को इलेक्ट्रॉन विवर्तन के गतिशील सिद्धांत द्वारा समझाया जा सकता है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। चित्र 2 में प्रत्येक स्तंभ अलग-अलग विवर्तन स्थितियों को दर्शाता है। ऊपरी पंक्ति एक पैरामीटर के रूप में मोटाई t के साथ जटिल विमान पर ¼0 exp(¹2³i`t) के जटिल मान के प्लॉट दिखाती है, जहां ¼0 ऑब्जेक्ट तरंग का एक तरंग फ़ंक्शन है और » निर्वात में आपतित इलेक्ट्रॉनों के लिए तरंग संख्या सदिश है। इस जटिल मान का आयाम तीव्रता के वर्गमूल से मेल खाता है, और जटिल मान का कोण चरण बदलाव से मेल खाता है। मोटाई 0 से 300 एनएम तक होती है। 2080 एनएम के अनुरूप डेटा को चित्र 2 में लाल बोल्ड लाइनों के रूप में प्लॉट किया गया है। मध्य और निचली पंक्तियाँ क्रमशः मोटाई टी के कार्यों के रूप में प्लॉट की गई तीव्रता और चरण बदलाव को दर्शाती हैं। चित्र 2 के मध्य स्तंभ में, नमूना सटीक 220 ब्रैग विवर्तन स्थिति के अंतर्गत है, जहां ¼0 exp(¹2³i`t) का प्रक्षेपवक्र जटिल विमान की उत्पत्ति को काटता है। चौराहे की मोटाई पर, जटिल मान का आयाम शून्य है; इसलिए उज्ज्वल-क्षेत्र छवि में संबंधित स्थिति अंधेरा दिखाई देती है। विशेष रूप से, ¼0 exp(¹2³i`t) के चरण को जटिल विमान के मूल में बदल दिया गया था। इसलिए, चरण शिफ्ट प्रोफ़ाइल अंधेरे मोटाई वाले किनारों पर ³ की छलांग दिखाती है। चित्र 2 में बाएँ और दाएँ कॉलम तब परिणाम दिखाते हैं जब 220 प्रतिबिंब की उत्तेजना त्रुटि का संकेत क्रमशः नकारात्मक और सकारात्मक होता है। इन मामलों में, उज्ज्वल-क्षेत्र छवि में एक मोटाई वाला फ्रिंज भी दिखाई देता है; हालाँकि, डार्क फ्रिंज की तीव्रता शून्य नहीं होती है (चित्र 2 की मध्य पंक्ति देखें), और चरण-शिफ्ट प्रोफ़ाइल में कोई छलांग नहीं देखी जाती है (चित्र 2 की निचली पंक्ति देखें)। विशेष रूप से, मोटाई में चरण बदलाव की प्रवणता, यानी, "प्रभावी आंतरिक क्षमता", 220 प्रतिबिंबों की उत्तेजना त्रुटि के संकेत पर निर्भर करती है (चित्र 2 की निचली पंक्ति देखें)। इस प्रवृत्ति की पुष्टि विभिन्न घटना किरण दिशाओं के साथ प्रयोगात्मक रूप से पुनर्निर्मित चरण छवियों की एक श्रृंखला द्वारा की गई थी।

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2.3 मल्टीलेयर सिरेमिक कैपेसिटर में अवक्षेपों का विद्युत क्षेत्र विश्लेषण

कावामोटो एट अल. मल्टीलेयर सिरेमिक कैपेसिटर (एमएलसीसी) में उत्पादित सबमाइक्रोमीटर अवक्षेप के विद्युत गुणों को निर्धारित करने के लिए इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी पर आधारित एक अद्वितीय लक्षण वर्णन विधि का प्रदर्शन किया है। 18) उन्होंने दिखाया कि समविभव समोच्च रेखाएं इसमें बनने वाले सबमाइक्रोन एंटर-स्केल अवक्षेप की विद्युत चालकता के बारे में आवश्यक जानकारी प्रस्तुत करती हैं। वाणिज्यिक BaTiO3 MLCCs। शोधकर्ताओं ने बताया है कि अतिरिक्त एमजी और दुर्लभ-पृथ्वी तत्व ढांकता हुआ स्थिरांक की तापमान निर्भरता को नियंत्रित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। 53) हालांकि, ऐसे तत्वों का योग ढांकता हुआ पदार्थ के भीतर जटिल वर्षा को प्रेरित करता है (उदाहरण के लिए, एक सीआर-समृद्ध चरण, 54) सी-रिच चरण,55) और अन्य)। क्योंकि इन अवक्षेपों में ढांकता हुआ स्थिरांक होते हैं जो BaTiO3 मैट्रिक्स से काफी भिन्न होते हैं, वे संधारित्र के प्रदर्शन को ख़राब करने की संभावना रखते हैं। इस प्रकार, सबमाइक्रोमीटर-स्केल अवक्षेपों के पड़ोस में स्थानीय विद्युत गुणों का अध्ययन करना महत्वपूर्ण है।

अपने अध्ययन में, कावामोटो एट अल। एमएलसीसी59 में बनने वाले सबमाइक्रोमीटर-स्केल अवक्षेपों को चिह्नित करने के लिए टीईएम5658 में माइक्रोप्रोब को संभालने के साथ इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी का उपयोग किया गया) और उन वस्तुओं की पहचान की गई जो हानिकारक विद्युत टूटने का कारण बनती हैं। चित्र 3(ए) एक नी कैथोड, एक ढांकता हुआ पदार्थ (BaTiO3), और एक नी एनोड युक्त एक स्टैक्ड कॉन्फ़िगरेशन के साथ एक पतली-पन्नी नमूना (20 µm © 6 µm © 100 एनएम) का एक योजनाबद्ध दिखाता है। ध्यान दें कि कैथोड और एनोड भौतिक रूप से पीटी प्रोंग्स से जुड़े होते हैं, जो नमूने पर विद्युत वोल्टेज लागू होने पर धातु पीटीआईआर जांच से संपर्क करते हैं। चित्र 3(बी) नमूने की ADF-STEM छवि दिखाता है। गहरे कंट्रास्ट के साथ दिखने वाला अवक्षेप हरे तीर द्वारा दर्शाया गया है। ऊर्जा-फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) विश्लेषण से पता चलता है कि यह अवक्षेप सीआर में समृद्ध है और सी में खराब है। चित्र 3(सी) 7 वी के प्रभावी लागू वोल्टेज के तहत एक पुनर्निर्मित चरण छवि है; इस प्रकार, लेखकों ने अवांछित चरण की जानकारी को दबाने के लिए 3 वी के एक लागू वोल्टेज के तहत प्राप्त चरण-शिफ्ट जानकारी को 10 वी के तहत प्राप्त की गई जानकारी को घटा दिया, जैसे अवक्षेप की स्थिति में औसत आंतरिक क्षमता में पर्याप्त परिवर्तन, नमूने में मोटाई भिन्नताएं , और नी इलेक्ट्रोड से चुंबकीय क्षेत्र। विशेष रूप से, अवक्षेप के स्थानीय क्षेत्र में समोच्च रेखाओं के अंतर और दिशा दोनों में परिवर्तन हुआ, जिसका श्रेय अवक्षेप और BaTiO3 मैट्रिक्स के बीच विद्युत चालकता में अंतर को दिया गया। चित्र 3(डी) परिमित तत्व विधि (एफईएम) मॉडलिंग के आधार पर एक द्वि-आयामी सिम्युलेटेड विद्युत क्षेत्र मानचित्र दिखाता है। इस मॉडल में, अवक्षेप ·बी की विद्युत चालकता मैट्रिक्स ·एम की चालकता से काफी कम है। चित्र 3(डी) के परिणाम प्रेक्षणों की कई विशेषताओं की व्याख्या करते हैं (चित्र 3(सी)), जैसे अवक्षेप के भीतर समोच्च रेखाओं की कम दूरी और मैट्रिक्स क्षेत्र में रिक्ति में क्रमिक परिवर्तन। सीआर-रिच चरण की चालकता मैट्रिक्स की तुलना में परिमाण के दो या तीन क्रमों से छोटी होनी चाहिए। यह विधि उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले कैपेसिटर में जटिल माइक्रोस्ट्रक्चर और सामग्री कार्यात्मकताओं के बीच संबंधों की गहरी समझ पैदा कर सकती है।

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2.4 फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री में चार्ज-डोमेन दीवारों की विशेषता

नाकाजिमा एट अल.20) ने TEM का उपयोग करके Ca3¹xSrxTi2O7 (CSTO) में CDW संरचनाओं60) की जांच की। सीएसटीओ में फेरोइलेक्ट्रिसिटी को पारंपरिक विद्युत ध्रुवीकरण माप और पीजोरेस्पॉन्स बल माइक्रोस्कोपी दोनों द्वारा देखा गया है। 61) बाद वाले ने ध्रुवता और चालकता के संदर्भ में सीएसटीओ में दो प्रकार के सीडीडब्ल्यू का खुलासा किया: उच्च-चालकता वाली "सिर से सिर" वाली दीवारें और कम- चालकता "पूंछ से पूंछ" दीवारें। सीडीडब्ल्यू डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक हैं क्योंकि उनकी आकृति विज्ञान और चालकता को विद्युत क्षेत्रों और अन्य भौतिक घटनाओं द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। 6267) नकाजिमा एट अल 20) ने माइक्रोस्ट्रक्चरल को निर्धारित करने के लिए डार्क-फील्ड इमेजिंग का उपयोग किया, जो फ्रीडेल के नियम के टूटने पर आधारित है। सीएसटीओ की विशेषताएं HAADF-STEM अवलोकनों ने पेरोव्स्काइट-संरचित ब्लॉकों में स्टैकिंग की अनियमितता का प्रदर्शन किया है। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी ने अनियमित स्टैकिंग के क्षेत्रों का खुलासा किया है जो सीनियर सामग्री के कारण औसत आंतरिक क्षमता में परिवर्तन उत्पन्न करते हैं। ये माइक्रोस्कोपी अध्ययन उन तंत्रों की हमारी समझ में सुधार करते हैं जिनके द्वारा सीएसटीओ में फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन विकसित होते हैं।


2.5 आवेशित एपॉक्सी फिल्म के आसपास द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों का विश्लेषण

हमने अब तक विभिन्न का वर्णन किया हैटीईएम तकनीकेंसामग्री विज्ञान के लिए, जिसमें इलेक्ट्रॉन होलोग्राफी द्वारा विद्युत क्षेत्रों का अवलोकन करने की विधियाँ शामिल हैं। इन अध्ययनों के विस्तार के रूप में, सबसे दिलचस्प विषयों में से एक इलेक्ट्रॉनों की गति की कल्पना करना है क्योंकि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र इन गतियों से उत्पन्न होते हैं। इनमें से सबसे पहला अध्ययन जैविक नमूनों पर चार्जिंग प्रभाव पर केंद्रित था।68,69) बाद में विभिन्न इन्सुलेटिंग सामग्रियों के लिए इलेक्ट्रॉनों के संचय और वितरण को देखा गया, उनकी सतहों पर अत्यधिक ध्यान दिया गया।

सैटो एट अल.19) ने अल्ट्रा माइक्रोटॉमी द्वारा तैयार चार्ज एपॉक्सी फिल्म के आसपास माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों के वितरण का अध्ययन किया। चित्र 4(ए) एपॉक्सी राल (गहरे-भूरे क्षेत्र) की एक पतली फिल्म की एक पुनर्निर्मित चरण छवि दिखाता है। एक सिम्युलेटेड पुनर्निर्मित छवि की तुलना में नमूने की सतह की विद्युत क्षमता 1.2 V होने का अनुमान लगाया गया था। यद्यपि नमूने की सतह पर कोई भी धात्विक तत्व मौजूद नहीं था, माना जाता है कि प्रेक्षित क्षेत्र के पास नमूना समर्थन प्लेट से द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों द्वारा विकिरण द्वारा चार्जिंग प्रभाव को दबा दिया गया था। चित्र 4 (बी) में पुनर्निर्मित आयाम छवि एपॉक्सी राल की सतह के चारों ओर लाल क्षेत्रों को दिखाती है, जिसे सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए नमूने की सतह के साथ दृढ़ता से बातचीत करने वाले माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों के उच्च घनत्व के अनुरूप माना जाता है। विशेष रूप से, चित्र 4(बी) में तीर द्वारा दर्शाए गए अवतल क्षेत्र में, एक चमकदार लाल क्षेत्र स्पष्ट है; यह क्षेत्र सतह के साथ संचित द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों की परस्पर क्रिया के कारण एक बड़े विद्युत क्षेत्र के उतार-चढ़ाव से मेल खाता है। एपॉक्सी राल का एक होलोग्राम देखे जाने के बाद, पतले नमूने के दोनों किनारों को एक कमजोर Ga{7}}आयन किरण का उपयोग करके FIB प्रणाली से विकिरणित किया गया। बीम की तीव्रता 0.85 © 103 mC·m¹2 थी, जो आमतौर पर नमूनों को चमकाने के लिए उपयोग की जाने वाली तीव्रता से 200 गुना कम है। चित्र 4(सी) में पुनर्निर्मित चरण छवि से पता चलता है कि सिमुलेशन परिणामों के अनुसार नमूने की विद्युत क्षमता 1.0 V हो जाती है। विकिरण से पहले और बाद में नमूने की विद्युत क्षमता में बहुत अधिक अंतर नहीं था क्योंकि एक कमजोर Ga+- आयन किरण का उपयोग किया गया था। चित्र 4(डी) में पुनर्निर्मित आयाम छवि में, चित्र 4(बी) में देखे गए रंगीन क्षेत्र अब दिखाई नहीं दे रहे हैं। इस प्रकार, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एपॉक्सी राल की सतह के साथ दृढ़ता से संपर्क करने वाले माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों का वितरण सतह पर धातु तत्वों की उपस्थिति के प्रति संवेदनशील है।

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चित्र 4 (ए) अल्ट्रामाइक्रोटोम एपॉक्सी राल की पुनर्निर्मित चरण छवि। (बी) राल की पुनर्निर्मित आयाम छवि। (सी) एफआईबी संसाधित राल की पुनर्निर्मित चरण छवि। (डी) एफआईबी संसाधित राल की पुनर्निर्मित आयाम छवि।19)

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