三维原子探针（Atom probe tomography，APT；或Three-Dimensional Atom Probe，3DAP）是目前唯一能够在近原子尺度上（z向分辨率约为0.1~0.3 nm，x和y向分辨率约为0.3~0.5 nm）进行三维映射和化学成分精确测量（化学敏感度约为20 ppm，物质的量浓度）的材料分析技术，并能在近原子尺度上对材料内部微观结构，如固溶体、短程有序、团簇、纳米析出相、位/层错和界面等的元素分布和化学成分进行精准表征。

ATP原理

原子探针是基于场发射原理制成的。在超高真空及液氮冷却试样条件下，在针尖试样上施加足够的正高压，试样表面原子开始形成离子并离开针尖表面。这称为场发射。通过在样品与近局域电极之间施加电场，在电压脉冲或激光脉冲作用下使材料表面的原子逐层剥离出来，剥离出的离子经过直流电场后飞向探测器。根据离子的飞行时间，可以推算出每个离子的质合比；根据离子到达探测器的位置和次序，推算其原始位置，通过软件对数据进行重构，从而还原各个原子在材料的三维空间分布。

图1. 三维原子探针原理示意图

APT优点

APT是目前唯一可得到三维尺度上元素分布的一种表征手段，早期被广泛应用于金属材料，随后也被推广至半导体材料、地质材料、生物材料中。相对于其他表征手段，它有如下优点：

（1）表征极限高，对元素的检测通常在ppm级；

（2）可得到材料中三维方向的信息，不仅仅局限于一个平面；

（3）可通过聚焦离子束制样，定点测试样品微小区域信息；

（4）能对析出相、元素偏聚的界面和位错等缺陷、元素分布、团簇等进行分析，可以定量分析材料中元素的分布和含量。

APT制样方式

APT所分析样品为针尖状，且尖端半径r₀为10-100 nm。制样的好坏会直接影响数据的质量。由于样品在高电场（1-10 KV）作用下收集，导致受到较强的应力，电场大小与样品尖端半径尺寸有关。直径较大会引起电场及应力过大，导致样品断裂飞出，无法继续收集数据。APT制样一般有两种方式：电解抛光和聚焦离子束（FIB）制样。

普通金属样品通常采用电解抛光制样。电解抛光可以分为粗抛光和显微抛光两个阶段，示意图如图2所示。第一个阶段，用到的电解液是30%的高氯酸冰醋酸。首先利用精密切割机将样品切割成0.5×0.5×20 mm³的长条状，然后将样品夹持稳定使其处于竖直方向，最后通过偏心轮机械装置实现试样上下进出电解液从而完成抛光，直流电压为15-20 V，电流控制在0.01-0.02 mA。第二阶段是在光镜下完成的，用到的电解液是5%的高氯酸乙二醇醚，阴极为一直径5 mm左右的铂金环。通过手动控制样品进出电解液的频率和深度，来控制样品针尖的粗细和形状，直至样品尖端半径<100 nm。

图2. 电解抛光示意图

对于不导电样品以及特殊样品的定位制样（定位制取晶界及析出相等样品），通常使用FIB技术进行加工，通过纳米手及Ga离子切割从样品表面提取出一个条状（侧面楔形状）样品，并用Pt，W或C等采用气体沉积将样品焊在基座上。然后使用离子束进行环状切割，最终加工成100 nm以下尺寸的针尖样品。FIB制样过程如图3所示，（a）确定取样位置，（b）在取样位置周围挖出沟槽，（c）在样品上方镀铂保护，（d）准备好放置针尖样品的样品台，（e）在挖出的样品柱放置在样品台中任意尖柱中心，（f）侧面观察图，（g）用铂将样品柱和尖柱焊在一起并切掉多余部分，（h）完成后形貌，（i）侧面形貌，（j）样品俯视图，开始减薄，（k）制备完成的最终针尖样品。

图3. FIB制样示意图

APT分析

APT数据分析是对数据深度挖掘的一个重要过程，借助IVAS软件。IVAS软件是一个专门用于分析APT数据的软件，可以实现将打在探测器上的原子通过重构并可视化呈现出来。APT分析主要包括图像压缩比（Image compression fraction，ICF）计算、晶界取向差计算、质谱标定、原子最近邻分布分析、析出相成分分析、团簇分析、界面一维线浓度分析等。

参考文献

[1]冯曼,靳慎豹,沙刚.三维原子探针技术助力先进铝合金研究[J].中国材料进展,2022,41(11):891-898+890.

[2]吴琴莉. Al-Cu合金在高压扭转加工过程中的组织演变规律研究[D].南京理工大,2019.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001581.

[3]吴杏苹. 利用三维原子探针分析FinFET中掺杂元素的分布规律[D].南京理工大,2020.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2020.001314.

[4]姜岳峰. 微观结构对高强钢氢脆敏感性的影响及机理[D].中国科学技术大学,2019.

[5]Z. Jiao,G.S. Was. Novel features of radiation-induced segregation and radiation-induced precipitation in austenitic stainless steels[J]. Acta Materialia,2010,59(3).

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