三維原子探針（Atom probe tomography，APT；或Three-Dimensional Atom Probe，3DAP）是目前唯一能夠在近原子尺度上（z向分辨率約為0.1~0.3 nm，x和y向分辨率約為0.3~0.5 nm）進(jìn)行三維映射和化學(xué)成分精確測(cè)量（化學(xué)敏感度約為20 ppm，物質(zhì)的量濃度）的材料分析技術(shù)，并能在近原子尺度上對(duì)材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，如固溶體、短程有序、團(tuán)簇、納米析出相、位/層錯(cuò)和界面等的元素分布和化學(xué)成分進(jìn)行精準(zhǔn)表征。

ATP原理

原子探針是基于場發(fā)射原理制成的。在超高真空及液氮冷卻試樣條件下，在針尖試樣上施加足夠的正高壓，試樣表面原子開始形成離子并離開針尖表面。這稱為場發(fā)射。通過在樣品與近局域電極之間施加電場，在電壓脈沖或激光脈沖作用下使材料表面的原子逐層剝離出來，剝離出的離子經(jīng)過直流電場后飛向探測(cè)器。根據(jù)離子的飛行時(shí)間，可以推算出每個(gè)離子的質(zhì)合比；根據(jù)離子到達(dá)探測(cè)器的位置和次序，推算其原始位置，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，從而還原各個(gè)原子在材料的三維空間分布。

APT優(yōu)點(diǎn)

APT是目前唯一可得到三維尺度上元素分布的一種表征手段，早期被廣泛應(yīng)用于金屬材料，隨后也被推廣至半導(dǎo)體材料、地質(zhì)材料、生物材料中。相對(duì)于其他表征手段，它有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）表征極限高，對(duì)元素的檢測(cè)通常在ppm級(jí)；

（2）可得到材料中三維方向的信息，不僅僅局限于一個(gè)平面；

（3）可通過聚焦離子束制樣，定點(diǎn)測(cè)試樣品微小區(qū)域信息；

（4）能對(duì)析出相、元素偏聚的界面和位錯(cuò)等缺陷、元素分布、團(tuán)簇等進(jìn)行分析，可以定量分析材料中元素的分布和含量。

ATP制樣方式

APT所分析樣品為針尖狀，且尖端半徑r0為10-100 nm。制樣的好壞會(huì)直接影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量。由于樣品在高電場（1-10 KV）作用下收集，導(dǎo)致受到較強(qiáng)的應(yīng)力，電場大小與樣品尖端半徑尺寸有關(guān)。直徑較大會(huì)引起電場及應(yīng)力過大，導(dǎo)致樣品斷裂飛出，無法繼續(xù)收集數(shù)據(jù)。APT制樣一般有兩種方式：電解拋光和聚焦離子束（FIB）制樣。

普通金屬樣品通常采用電解拋光制樣。電解拋光可以分為粗拋光和顯微拋光兩個(gè)階段，示意圖如圖2所示。第一個(gè)階段，用到的電解液是30%的高氯酸冰醋酸。首先利用精密切割機(jī)將樣品切割成0.5×0.5×20 mm3的長條狀，然后將樣品夾持穩(wěn)定使其處于豎直方向，最后通過偏心輪機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)試樣上下進(jìn)出電解液從而完成拋光，直流電壓為15-20 V，電流控制在0.01-0.02 mA。第二階段是在光鏡下完成的，用到的電解液是5%的高氯酸乙二醇醚，陰極為一直徑5 mm左右的鉑金環(huán)。通過手動(dòng)控制樣品進(jìn)出電解液的頻率和深度，來控制樣品針尖的粗細(xì)和形狀，直至樣品尖端半徑<100 nm。

對(duì)于不導(dǎo)電樣品以及特殊樣品的定位制樣（定位制取晶界及析出相等樣品），通常使用FIB技術(shù)進(jìn)行加工，通過納米手及Ga離子切割從樣品表面提取出一個(gè)條狀（側(cè)面楔形狀）樣品，并用Pt，W或C等采用氣體沉積將樣品焊在基座上。然后使用離子束進(jìn)行環(huán)狀切割，最終加工成100 nm以下尺寸的針尖樣品。FIB制樣過程如圖3所示，（a）確定取樣位置，（b）在取樣位置周圍挖出溝槽，（c）在樣品上方鍍鉑保護(hù)，（d）準(zhǔn)備好放置針尖樣品的樣品臺(tái)，（e）在挖出的樣品柱放置在樣品臺(tái)中任意尖柱中心，（f）側(cè)面觀察圖，（g）用鉑將樣品柱和尖柱焊在一起并切掉多余部分，（h）完成后形貌，（i）側(cè)面形貌，（j）樣品俯視圖，開始減薄，（k）制備完成的最終針尖樣品。

?APT分析

APT數(shù)據(jù)分析是對(duì)數(shù)據(jù)深度挖掘的一個(gè)重要過程，借助IVAS軟件。IVAS軟件是一個(gè)專門用于分析APT數(shù)據(jù)的軟件，可以實(shí)現(xiàn)將打在探測(cè)器上的原子通過重構(gòu)并可視化呈現(xiàn)出來。APT分析主要包括圖像壓縮比（Image compression fraction，ICF）計(jì)算、晶界取向差計(jì)算、質(zhì)譜標(biāo)定、原子最近鄰分布分析、析出相成分分析、團(tuán)簇分析、界面一維線濃度分析等。

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