原子探针场离子
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三维原子探针_3DAP_介绍
第5期 [ 5] [ 6] [ 7]
王
娜 , 等 : 砂仁挥发油纳米 孙宗华 , 丁 小斌 , 等 . SOD 脂质 体的 制备 研究 [ J] . 生物医学工程学杂志 , 1997, 14 ( 3) : 259 262. 李国锋 , 周日红 , 曹 抗 , 等 . 维生素 E 脂质 体的 制备 [ 10] [ J] . 中国现代应用药学 , 1997, 14 ( 4) : 18 20. 郭健新 , 平其能 , 黄罗生 , 等 . 柔 性环孢 素纳 米脂 质体 的制备及其变 形性 [ J] . 中 国药 科 大学 学报 , 1999, 30 ( 3) : 187 191. [ 11]
图1
三维原子探针 ( 3DAP)
图 2 6 000 Al 合金在 450 K 时效 24 h
[ 8] [ 9]
王长虹 , 孙殿甲 . 脂质体 的物 理化 学稳 定性 研究 [ J] . 中国药学杂志 , 1998, 33( 2) : 65 68. 翁帼英 , 陈明非 . 脂 质体 中卵磷 脂的 氧化产 物与 溶血
( 编辑 : 周箴纬)
仪器设备介绍
三维原子探针(3DAP) 介绍
材料的性能与显微组织结构密切有关, 而显微组织结构又决定于材料的成分和加工工艺 . 在开发高性能 先进材料的过程中, 正确利用现代 分析仪器对显微组织结构进行观察研 究是非常重要的. 三 维原子探针 ( 3DAP) 是在场离子显微镜( FIM) 基础上发展起来的一种分析技术 , 在 FIM 样品尖端叠加脉冲电压使原子电 离并蒸发, 用飞行时间质谱仪测定离子的质量 电荷比来确定该离子的种类, 用位置敏感探头确定原子的位 置. 它可以对不同元素的原子逐个进行分析, 并给出纳米空间中不同元素原子的分布图形, 能够进行定量分 析, 是目前最微观并且分析精度较高的一种分析技术. 从分析逐个原子来了解物质微区化学成分的不均匀 性, 3DAP 是一种不可替代的分析方法 . 3DAP 可以直接观察到 Cottrell 气团 ; 分析界面处原子的偏聚; 研究弥 散相的析出过程 , 非晶晶化时原子扩散和晶体成核过程 ; 分析各种合金元素在纳米晶材料不同相及界面上的 分布等. 上海大学从 2003 年开始考虑购买 3DAP, 经过充分调研和论证, 于 2004 年底与英国 Oxford nanoScience Ltd. 签定了购买 3DAP 的合同, 现已经在我校分析测试中心完成安装调试 ( 见图 1) . 这是国内第一台 3DAP。 图 2 为 3DAP 显示的 6 000 Al 合金在 450 K 时效 24 h 后基体中形成的富 Mg 和 Si 的偏聚 .
王
娜 , 等 : 砂仁挥发油纳米 孙宗华 , 丁 小斌 , 等 . SOD 脂质 体的 制备 研究 [ J] . 生物医学工程学杂志 , 1997, 14 ( 3) : 259 262. 李国锋 , 周日红 , 曹 抗 , 等 . 维生素 E 脂质 体的 制备 [ 10] [ J] . 中国现代应用药学 , 1997, 14 ( 4) : 18 20. 郭健新 , 平其能 , 黄罗生 , 等 . 柔 性环孢 素纳 米脂 质体 的制备及其变 形性 [ J] . 中 国药 科 大学 学报 , 1999, 30 ( 3) : 187 191. [ 11]
图1
三维原子探针 ( 3DAP)
图 2 6 000 Al 合金在 450 K 时效 24 h
[ 8] [ 9]
王长虹 , 孙殿甲 . 脂质体 的物 理化 学稳 定性 研究 [ J] . 中国药学杂志 , 1998, 33( 2) : 65 68. 翁帼英 , 陈明非 . 脂 质体 中卵磷 脂的 氧化产 物与 溶血
( 编辑 : 周箴纬)
仪器设备介绍
三维原子探针(3DAP) 介绍
材料的性能与显微组织结构密切有关, 而显微组织结构又决定于材料的成分和加工工艺 . 在开发高性能 先进材料的过程中, 正确利用现代 分析仪器对显微组织结构进行观察研 究是非常重要的. 三 维原子探针 ( 3DAP) 是在场离子显微镜( FIM) 基础上发展起来的一种分析技术 , 在 FIM 样品尖端叠加脉冲电压使原子电 离并蒸发, 用飞行时间质谱仪测定离子的质量 电荷比来确定该离子的种类, 用位置敏感探头确定原子的位 置. 它可以对不同元素的原子逐个进行分析, 并给出纳米空间中不同元素原子的分布图形, 能够进行定量分 析, 是目前最微观并且分析精度较高的一种分析技术. 从分析逐个原子来了解物质微区化学成分的不均匀 性, 3DAP 是一种不可替代的分析方法 . 3DAP 可以直接观察到 Cottrell 气团 ; 分析界面处原子的偏聚; 研究弥 散相的析出过程 , 非晶晶化时原子扩散和晶体成核过程 ; 分析各种合金元素在纳米晶材料不同相及界面上的 分布等. 上海大学从 2003 年开始考虑购买 3DAP, 经过充分调研和论证, 于 2004 年底与英国 Oxford nanoScience Ltd. 签定了购买 3DAP 的合同, 现已经在我校分析测试中心完成安装调试 ( 见图 1) . 这是国内第一台 3DAP。 图 2 为 3DAP 显示的 6 000 Al 合金在 450 K 时效 24 h 后基体中形成的富 Mg 和 Si 的偏聚 .
三维原子探针_从探测逐个原子来研究材料的分析仪器
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Invited Special Paper
研究领域。添加溶质原子后, 溶质原子可能固溶在溶剂 原子 中, 也可能与溶剂原子形成 化合物, 还可能偏聚在 晶界上或晶体的缺陷中。这些 因素对材料性 能的影响 很大。因而, 要改善 材料的性能或 者是开发 新的材料, 必须从研究材料的 微观组织结 构和宏观使用 性能之间 的关系入手, 通过改变和控制材料的显微组织来改善和 提高材料的性能。 材料的性能与显微组织结构密切相关, 而显微组织 结构又决定于材料的成 分和加工工 艺。观察 研究显微 组织 结构, 并分析它们与成分、 加工 工艺和使用性能之 间的关系, 已成为开发高性能先进材料过程中一个非常 重要的环节, 也 是材料 科学 研究领 域里 的一 个重 要方 面。在这一环节中, 如何正确利用现代分析仪器对显微 组织 结构进行观察研究, 就成为 关键的问题, 而分析仪 器的发展又大大地推动了该领域的研究工作。 在只有光学显微镜可以利用时, 人们为了研究材料 的显 微组织, 需要将材料表面进 行研磨抛光, 用化学试 剂将显微组织蚀刻出来, 再用光学显微镜放大观察。由 于光学显微镜的分 辨率受到照 明光的波长和 玻璃透镜 的限 制, 而且只能观察蚀刻后的 表面, 显然不能满足需 要。20 世纪 50 年代后, 人们利用电 子与物质相互作用 所产 生的信息, 并且电子还能穿 透一定厚度的物质, 这 样, 利用电子显微镜就可以观察薄样品内部的显微组织 形貌。利用电子的 波动性与晶 体中原子周期 排列之间 可产生 电子衍射 的特性, 通 过获得的电 子衍射图像, 还可以分析原子排列的周期特征, 研究晶体结构。利用 高能电子与原子作 用可以激发 原子外壳层电 子跃迁而 产生 X 射线的特性, 同时, 由于不同 原子的壳层电子具 有不同的能量, 受激发后产生 的 X 射线波长也不同, 所 以, 测定 X 射线的波长, 就可以确定被激发原子的种类; 测量 X 射线的强度, 就可以确 定不同合金元素的含量。 这样, 用电子显微镜观察样品时, 不 仅可以看到物质一 定厚度内的显微组织形貌, 还可以研究晶体结构和测定 样品中的化学成分。具有这种 功能的电子显 微镜称为 分析型电子显微镜。由于电子线路的设计不断改进, 机 械加工精度的不断提高, 电子显微镜的分辨率已非常接 近原子尺度水平。但是在进行化学成分分析时, 还只能 获得纳米尺度空间范围内的信息, 大约包含了数百个原 子。20 世纪 80 年代发明的扫描隧道显微镜和原子力显 微镜可以观察表面原子分布的图像, 但不能确定它们是 何种原子。目前, 同时具有扫描隧道显微镜和原子力显 微镜功能的仪器称为扫描探针显微镜。
Invited Special Paper
研究领域。添加溶质原子后, 溶质原子可能固溶在溶剂 原子 中, 也可能与溶剂原子形成 化合物, 还可能偏聚在 晶界上或晶体的缺陷中。这些 因素对材料性 能的影响 很大。因而, 要改善 材料的性能或 者是开发 新的材料, 必须从研究材料的 微观组织结 构和宏观使用 性能之间 的关系入手, 通过改变和控制材料的显微组织来改善和 提高材料的性能。 材料的性能与显微组织结构密切相关, 而显微组织 结构又决定于材料的成 分和加工工 艺。观察 研究显微 组织 结构, 并分析它们与成分、 加工 工艺和使用性能之 间的关系, 已成为开发高性能先进材料过程中一个非常 重要的环节, 也 是材料 科学 研究领 域里 的一 个重 要方 面。在这一环节中, 如何正确利用现代分析仪器对显微 组织 结构进行观察研究, 就成为 关键的问题, 而分析仪 器的发展又大大地推动了该领域的研究工作。 在只有光学显微镜可以利用时, 人们为了研究材料 的显 微组织, 需要将材料表面进 行研磨抛光, 用化学试 剂将显微组织蚀刻出来, 再用光学显微镜放大观察。由 于光学显微镜的分 辨率受到照 明光的波长和 玻璃透镜 的限 制, 而且只能观察蚀刻后的 表面, 显然不能满足需 要。20 世纪 50 年代后, 人们利用电 子与物质相互作用 所产 生的信息, 并且电子还能穿 透一定厚度的物质, 这 样, 利用电子显微镜就可以观察薄样品内部的显微组织 形貌。利用电子的 波动性与晶 体中原子周期 排列之间 可产生 电子衍射 的特性, 通 过获得的电 子衍射图像, 还可以分析原子排列的周期特征, 研究晶体结构。利用 高能电子与原子作 用可以激发 原子外壳层电 子跃迁而 产生 X 射线的特性, 同时, 由于不同 原子的壳层电子具 有不同的能量, 受激发后产生 的 X 射线波长也不同, 所 以, 测定 X 射线的波长, 就可以确定被激发原子的种类; 测量 X 射线的强度, 就可以确 定不同合金元素的含量。 这样, 用电子显微镜观察样品时, 不 仅可以看到物质一 定厚度内的显微组织形貌, 还可以研究晶体结构和测定 样品中的化学成分。具有这种 功能的电子显 微镜称为 分析型电子显微镜。由于电子线路的设计不断改进, 机 械加工精度的不断提高, 电子显微镜的分辨率已非常接 近原子尺度水平。但是在进行化学成分分析时, 还只能 获得纳米尺度空间范围内的信息, 大约包含了数百个原 子。20 世纪 80 年代发明的扫描隧道显微镜和原子力显 微镜可以观察表面原子分布的图像, 但不能确定它们是 何种原子。目前, 同时具有扫描隧道显微镜和原子力显 微镜功能的仪器称为扫描探针显微镜。
场离子显微镜
场离子显微镜
场离子显微镜
• 场离子显微镜（FIM）原子直接成像的方法 • E.M.Müller在五十年代开创 • 进一步的原子探针（AP）
场离子显微镜
场离子显微镜
场离子显微镜
隧道效应透射系数：
使极化气体电离需要的场强E 使极化气体电离需要的场强Ei
场离子显微镜
图像解释
放大倍率 M=R/r M约为106
THE END
请老师同学批评斧正，谢谢！
场离子显微镜应用
• 局限：场致蒸发 （ Ee）； 极高的机械应力； 实际分析体积小（10-21m3） 成像面 积小（10-10cm2）；
场离子显微镜应用
• 位错பைடு நூலகம்
场离子显微镜应用
• 界面缺陷
场离子显微镜应用
• 原子探针
neU=1/2mv2 m/n=2eUt2/s2
场离子显微镜应用
• M2C是23NiCo钢的强化相，482℃ 回火析 出与基体高度共格的细小弥散的M2C相使强 度和韧度达到最佳配合。
场离子显微镜
• 场离子显微镜（FIM）原子直接成像的方法 • E.M.Müller在五十年代开创 • 进一步的原子探针（AP）
场离子显微镜
场离子显微镜
场离子显微镜
隧道效应透射系数：
使极化气体电离需要的场强E 使极化气体电离需要的场强Ei
场离子显微镜
图像解释
放大倍率 M=R/r M约为106
THE END
请老师同学批评斧正，谢谢！
场离子显微镜应用
• 局限：场致蒸发 （ Ee）； 极高的机械应力； 实际分析体积小（10-21m3） 成像面 积小（10-10cm2）；
场离子显微镜应用
• 位错பைடு நூலகம்
场离子显微镜应用
• 界面缺陷
场离子显微镜应用
• 原子探针
neU=1/2mv2 m/n=2eUt2/s2
场离子显微镜应用
• M2C是23NiCo钢的强化相，482℃ 回火析 出与基体高度共格的细小弥散的M2C相使强 度和韧度达到最佳配合。
第十六章 其他显微结构分析方法
分析性能 空间分辨率/m 分析深度/ m 电子探针 0.5~1 0.5~2 离子探针 1~2 < 0.005 俄歇谱仪 0.1 < 0.005
采样质量/g
检测质量极限/g 检测浓度极限/10-6 可分析元素 定量精度(wc 10%) 真空度要求/Pa 对样品损伤 定点分析时间/s
10-12
10-16 50~10000 Z4 (Z 11时灵敏度差) (1~5)% 1.33 10-3 非导体大，一般无 100
d N (E) 故曲线2和3分别也是电子数目N(E)和 随E的分布，曲 dE 20 线3俄歇峰明锐易辨，是常用的显示方式
d I (E) N (E) dE
(16-10)
第三节 俄歇电子能谱分析
二、俄歇电子能谱的检测 1) 圆筒反射镜分析器(CMA) 由两个同轴圆筒形电极构成静 电反射系统，内筒上有环状电子入口E 和出口光阑 B，内筒 和样品接地外筒接偏转电压U，见图16-12 两个圆筒半径分别为 r1和r2，通常 r1=3cm，若光阑使电子发 射 角为4218，样品上S点发射的能量为E 的电子，将聚焦于距S 点LE = 6.19r1的 F点，并满足 r1
图16-3 垂直入射时一维点列的衍射
第二节 低能电子衍射分析
一、二维点阵的衍射
如图16-4所示，二维点阵常数为a和b，相应倒易点阵常 数a*和b*，它们满足关系如下 a a* = b b* = 1 a b* = b a* = 0 (16-5) a* = b/A, b* = a/A 式中，A = a b 是二维 点阵的“单胞”面积 在二维倒易点阵中，倒易 矢量 ghk垂直于(hk)点列， 其大小ghk为 ghk = 1/dhk
图16-2 典型的离子探针质谱分析结果
采样质量/g
检测质量极限/g 检测浓度极限/10-6 可分析元素 定量精度(wc 10%) 真空度要求/Pa 对样品损伤 定点分析时间/s
10-12
10-16 50~10000 Z4 (Z 11时灵敏度差) (1~5)% 1.33 10-3 非导体大，一般无 100
d N (E) 故曲线2和3分别也是电子数目N(E)和 随E的分布，曲 dE 20 线3俄歇峰明锐易辨，是常用的显示方式
d I (E) N (E) dE
(16-10)
第三节 俄歇电子能谱分析
二、俄歇电子能谱的检测 1) 圆筒反射镜分析器(CMA) 由两个同轴圆筒形电极构成静 电反射系统，内筒上有环状电子入口E 和出口光阑 B，内筒 和样品接地外筒接偏转电压U，见图16-12 两个圆筒半径分别为 r1和r2，通常 r1=3cm，若光阑使电子发 射 角为4218，样品上S点发射的能量为E 的电子，将聚焦于距S 点LE = 6.19r1的 F点，并满足 r1
图16-3 垂直入射时一维点列的衍射
第二节 低能电子衍射分析
一、二维点阵的衍射
如图16-4所示，二维点阵常数为a和b，相应倒易点阵常 数a*和b*，它们满足关系如下 a a* = b b* = 1 a b* = b a* = 0 (16-5) a* = b/A, b* = a/A 式中，A = a b 是二维 点阵的“单胞”面积 在二维倒易点阵中，倒易 矢量 ghk垂直于(hk)点列， 其大小ghk为 ghk = 1/dhk
图16-2 典型的离子探针质谱分析结果
原子探针层析技术 apt在锂电池中的应用
原子探针层析技术 apt在锂电池中的应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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原子探针断层扫描(apt)原理
原子探针断层扫描(t)原理
原子探针断层扫描（Atom Probe Tomography，APT）是一种高分辨率三维原子成像技 术，用于研究材料的原子结构和成分分布。APT的原理基于场离子显微镜（Field Ion Microscopy）和时间飞行质谱法（Time-of-Flight Mass Spectrometry）的结合。
3. 原子蒸发：在高电场的作用下，试样表面的原子开始逸出并形成一个离子云。这个过程 被称为场蒸发（Field Evaporation），它使原子以极高的速度飞离试样表面。
4. 飞行时间质谱：离子云被加速并引导到一个时间飞行质谱仪中。在质谱仪中，离子根据 其质量-电荷比进行分离和检测。通过测量离子到达探测器的时间，可以确定离子的质量。
原子探针断层扫描(apt)原理
5. 重建和分析：根据离子到达探测器的时间和位置信息，可以重建出原子的三维分布。通 过收集大量离子的数据，可以获得高分辨率的三维原子图像，并且可以确定原子的种类和相 对丰度。
APT技术具有极高的空间分辨率（通常在纳米尺度），可以提供原子级别的成分分析和三 维结构信息。它在材料科学、纳米科学和催化剂研究等领域中得到广泛应用。
APT的工作原理如下：
1. 试样制备：首先，需要制备一小块纯净的金属或合金试样，并将其尖端锐化，以便在扫 描过程中形成尖锐的针状结构。
原子探针断层扫描(apt)原理
2. 场离子显微镜：将试样放置在场离子显微镜中，并在极低的温度下（通常在液氮温度下 ）进行观察。通过在试样尖端施加高电压，可以产生一个强烈的电场，使试样表面的原子逸 出。
原子探针断层扫描（Atom Probe Tomography，APT）是一种高分辨率三维原子成像技 术，用于研究材料的原子结构和成分分布。APT的原理基于场离子显微镜（Field Ion Microscopy）和时间飞行质谱法（Time-of-Flight Mass Spectrometry）的结合。
3. 原子蒸发：在高电场的作用下，试样表面的原子开始逸出并形成一个离子云。这个过程 被称为场蒸发（Field Evaporation），它使原子以极高的速度飞离试样表面。
4. 飞行时间质谱：离子云被加速并引导到一个时间飞行质谱仪中。在质谱仪中，离子根据 其质量-电荷比进行分离和检测。通过测量离子到达探测器的时间，可以确定离子的质量。
原子探针断层扫描(apt)原理
5. 重建和分析：根据离子到达探测器的时间和位置信息，可以重建出原子的三维分布。通 过收集大量离子的数据，可以获得高分辨率的三维原子图像，并且可以确定原子的种类和相 对丰度。
APT技术具有极高的空间分辨率（通常在纳米尺度），可以提供原子级别的成分分析和三 维结构信息。它在材料科学、纳米科学和催化剂研究等领域中得到广泛应用。
APT的工作原理如下：
1. 试样制备：首先，需要制备一小块纯净的金属或合金试样，并将其尖端锐化，以便在扫 描过程中形成尖锐的针状结构。
原子探针断层扫描(apt)原理
2. 场离子显微镜：将试样放置在场离子显微镜中，并在极低的温度下（通常在液氮温度下 ）进行观察。通过在试样尖端施加高电压，可以产生一个强烈的电场，使试样表面的原子逸 出。
材料四要素
氯化钠晶体
氯化钠内部质点排列
扫描隧道显微镜所探测到的石墨层面的碳原子排列
材料结构的分类：
晶体结构
原子排列短程有序，无周期。
非晶态固体的性能是各向同性的
非晶体
晶体
原子排列长程有 序，有周期
准晶体
原子排列长程有 序，无周期。
材料结构的分类：
晶体周期性
晶体结构
布喇菲(Bravais) 空间点阵学说：理想晶体的内部结构是组成晶 体的原子、分子或原子团等在三维空间中有规则地周期性重复排列， 这种周期性排列是晶体最基本的特点，也是研究晶体各种物理性质 的重要基础。 ◎ 布喇菲点阵 组成晶体的原子、离子、分子或原子团统称为晶体的基本结构 单元，简称基元。 为了简单明了地认识晶体的几何规则性，我们可以把晶体中的 基元用处在那个位置的几何点来代替，这样就得到了一个晶体基元 周期性排列的点的集合，它就称为“晶格”（或点阵），这些点被 称为格点。因此，可以说晶体的结构是由组成晶体的基元加上空间 点阵来决定的。
弹性：反映晶格中原子在外力作用下自平衡位臵产生可逆位移的力 学性能之一。 塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。
强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。 刚度：材料力学中的弹性模量。它的物理意义是指材料产生单位弹 性的相对变形所需的应力。外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力。 硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。
巨磁阻效应:是指磁性材料的交变阻抗随外磁场显著 变化的效应 。
电致发光：在电场的作用下电子在发光层内高速运
动， 激活发光材料原子使其发生能级跃迁而发光。
材料的化学性质
材料的腐蚀:材料受环境介质的化学、电化学作用而
原子探针
图(3)是利用三维原子探针对FeAl有序合金的分析结果。含有 0.04at.%B元素的B原子在FeAl有序合金位错附近偏聚也会形成Cottrell 气团FeAl(40at%Al)合金，有序化后是B2结构，晶体的(100)面是超点阵 面，Fe和Al原子相互交替占据该面。图中只给出垂直于刃型位错线截 面上的一层Al原子，可以分辨出Al原子排列构成的原子面，面间距约 为0.29nm，从前面自左而右数至第21个原子面，然后从这个原子面后 端自右向左数至原来开始的的那个原子面，共有22个原子面，这说明 图中存在一个自上而下的刃型位错，刃型位错的示意图画在图的左上 方。B原子围绕着刃型位错成细圆柱状分布，即Cottrell气团，每一个 点表示测量得到的一个B原子。
A
4
A
5
在场离子显微镜中，如果场强超过某一临界值，将发生场致 蒸发，即样品尖端处的原子以正离子形式被蒸发，并在电 场的作用下射向荧光屏。Ee叫做临界场致蒸发场强，某些 金属的蒸发场强Ee如表1所示。
表1 某些金属的蒸发场强
第一台原子探针也是由E.W.Müller等人在1968年制造出来的 ，它可以用来鉴定样品表面单个原子的元素类别，其工作 原理如图（1）所示。
原子的三维分布图形，分辨率接近原子尺度，是目前最微观、且分析
精度较高的一种定量分析手段。
A
13
原子探针的应用
1、Cottrell气团的直接观察
柯氏气团（Cottrell气团） 金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大
量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）,形成所谓的“柯 氏气团”。
A
2
当样品被加上一个高于蒸发场强的脉冲高压 时，该原子的离子可被蒸发而穿过小孔到达飞行管道 的终端而被高灵敏度的离子检测器所检测。
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当放大倍数为M时，定义FIM分辨率δ 为
主要有三个因素决定分辨率δ :
(1)成像气体原子的场电离并不仅仅发生在离 试样表面某些原子的距离为x0处的几个确定的点， 而是发生在直径为δ 0的“电离圆盘”中。 δ 0的 经验值为0. 15－0. 35mm，是限制0K时分辨率 的主要因素。
(2)由测不准关系导致的成像离子切向动量不 确定性引起的像尺寸扩展δ u
1.3 电场诱导应力
带电电容器的两极之间存在着相互吸引力， 在FIM中也存在类似的力。不过其中一个电 极(针尖)非常小，因此在样品顶部存在很高 的局部应力。对一个表面电场强度为F0的带 电球，垂直于表面的应力σ0为：
1.4 FIM的工作范围
只有在一定工作条件下，才能使试样不断 裂，并获得清晰的FIM像。由于成像气体的电离 场F1，试样的蒸发场FE和使试样断裂的应力对 应的电场FY都与温度有关。只有当FE大于F1，并
2. 2. 3数据分析
对于AP分析法中的单原子种类识别和选 区分析，关键是选择合适的实验条件，如 Vp/VDC比值，试样温度，场蒸发速率等， 其结果十分直观，除作一般的误差分析外， 不必作特殊的数据处理。但对随机区域分 析，得到的是分析小柱体中，成分沿深度 方向的变化。
2.3 其他类型的原子探针 1.成像原子探针((IAP) 2.能量补偿原子探针(ECAP) 3.脉冲激光探针(PLAP) 4.三维原子探针
3.2.1 点缺陷
FIM能分辨出单个原子可以直接看到的点 缺陷，应该是研究点缺陷的有力工具。但由 于FIM像衬度解释上的困难，即暗位置与空 位，或亮点与间隙原子之间常常不是一一对 应关系，FIM的结果在定量上并不完全正确。 另外，由于试样体积很小(约为10-21m3数量 级)，在求点缺陷的浓度时，统计性较差。
3.3 合金中的相变
1、 有序一无序相变 2 、形核长大型相变 3、失稳分解(spinodal分解)
AP实验过程中，最原始的记录是按离子被收集 到的先后次序，显示其质荷比，同时亦列出蒸发各 个离子所需的脉冲数。这种原始显示，可直接用于 数据量很少的单原子识别。为了从中取得更多的信 息，发展了很多软件，可得到质谱图、符号图、沿 深度方向成分剖析图、阶梯图、累积剖析图等。可 以根据研究间题的需要，分别采用其中的几种数据 表示法。
3. 2. 2 位错 3. 2. 3 面缺陷
面缺陷主要包括晶界、相界、层错和反相畴界等。 在FIM像中如果晶界或相界优先蒸发，则它们为一暗 线，且在界面处两侧的环状结构互不连续。晶界的 FIM像首次令人信服地证明，纯金属中大角晶界不是 厚的液态膜，晶界宽度只有1 -2个原子层，从而结束 了数十年关于晶界宽度的争论。
3.1 表面物理
用AP-FIM研究表面时，在看到表面原子排列 的同时，还可以鉴别单个原子的种类。目前为研 究表面现象而设计的AP-FIM，其真空度高达19Pa。场蒸发后，试样的表面十分清洁，这是用 AP-FIM研究表面现象的最大优点。
1.单原子吸附在表面的结合能 2.表面扩散
3.2 晶体缺陷
式中r为试样半径;R为试样表面到荧光屏的距离; (R十r)为荧光屏球的半径。实际上试样为针状， 正离子运动轨迹开始时垂直试样表面以后由于针 杆上及样品支架上的正
电场将使其轨迹向试样轴方向弯曲，放大倍数会 减小，见图
1.5.2 分辨率
所谓分辨率是指显微镜所能分辨的物空间 的最小距离。
沉淀相的成分只能用原子探针来确定。当合金 中析出几类不同的沉淀相，但其衬度非
2、原子探针(AP)
2.1 飞行时间AP 2.1.1 原理 最简单的AP是飞行时间AP (TOFAP) ,称为常规
AP。
由于离针尖表面数纳米内，电场强度急骤下降， 作为较好的一级近似，可以认为，刚离开试样表 面，离子即被瞬时地加速到它们的最后速度。设 试样上所加电压为V，发生场蒸发时，试样表面 处正离子的电势能全部变为动能
式中m,ne和v分别为离子的质量、电荷和速度。若试样 顶端到探测器的距离为L，则
2.1.2 装置设计
2.2 AP分析
2. 2. 1 AP分析方法
常用的AP分析方法有三种:单原子种 类识别、选区分析和随机区域分析，即沿 深度方向的成分剖析。可以根据研究间题 的性质，选用相应的AP分析方法
2.2.2 数据的表示
合金FIM试样用电解抛 光法制成，制备电镜薄 膜试样的电解液和抛光 条件，也适用于制备 FIM针尖，但有时要稍 稀一些，使抛光速度减 慢便于控制。
具体电解抛光法见图：
抛光常分两阶段，第一阶段抛光速度可以较快， 直到在试样下部某处出现比其它部分截面要细的 “腰”为止。第二阶段放慢抛光速度，使“腰” 部逐渐变细，试样在该处断裂的瞬间，马上切断 电源，终止抛光。整个抛光过程用立体显微镜监 视，控制针尖形状和切断电源的时间。有经验的 实验者可以用光学显微镜来判断已抛成的样品尖 端是否符合FIM观察的要求。
(3)成像离子平行于表面的切向热运动造成的 像尺寸的扩展δ t。
把这三个因素合并在一起，得到FIM的分辨率δ
1. 6 合金的成像衬度
1.6.1 无序固溶体 合金的成像机理比较复杂，这是因为各种元素在合金 中的场电离和场蒸发行为不同。试样表面电荷会向电 负性大的一方原子转移，电负性小的原子周围局部电 场增强，成像气体电离几率增加，其像较亮些。这是 “选择电离”机理。
Hale Waihona Puke .6.2 有序合金和化合物1.6.3 不同相的衬度
过饱和固溶体分解时，沉淀出第二相。与基体相 比，大部分沉淀相显示出亮的或暗的衬度。这种衬 度主要决定于沉淀相与基体相两者场蒸发行为的差 异。如果沉淀相比基体难以场蒸发，则随场蒸发过 程的进行，它将从试样表面突起来，该处局部电场 强度高，因而场电离几率也高于其周围基体。沉淀 相在FIM像上形成亮区见图4-15b。反之如沉淀相 比基体容易场蒸发，则在FIM像上呈暗区。通常熔 点愈高的相，衬度愈亮。此外，析出相的衬度还依 赖于试样的温度和成像气体的种类。
原子探针－场离子显微镜(FIM)
1、场离子显微术原理
1.1 试样准备
这是FIM实验中十分关键的一个步骤。典 型的已制备好的FIM试样是很细的针，尖端
曲率半径约为20-100 nm。制备针尖的初始 材料一般是直径为0. 1-0. 3 mm的细丝，可 以由冷拔丝直接获得或由电火花切割成小方棒 再磨制而成。
1.2 FIM原理
1.2.1仅器与成像原理
1.2.2 成像气体的场电离（field ionization)
在强电场作用下，紧靠金属表面的气体 原子通过量子力学隧道效应，失去电子变 为正离子的现象称场电离。
1.2.3 金属原子的 场蒸发(Field Evaporation)
针尖试样上施加足够 强的电场强度后，表 面原子会离开试样， 形成正离子，这个过 程称为场蒸发。如果 试样表面已吸附了一 层气体原子，施加一 定强度的电场后，可 去除此吸附层，这个 过程称场脱附(Field Desorption )。
大于最佳成像电场FBIF时，才能得到稳定的FIM像， 否则在还未达到清晰的像时，试样己开始蒸发， 无法形成稳定的像。
1. 5 放大倍数与分辨率
1.5.1 放大倍数
FIM结构比较简单，成像时不需要透镜。如果
FIM试样与荧光屏构成两个同心球，则成像离子轨
道垂直于试样表面，放大倍数η 可由下式给出：
主要有三个因素决定分辨率δ :
(1)成像气体原子的场电离并不仅仅发生在离 试样表面某些原子的距离为x0处的几个确定的点， 而是发生在直径为δ 0的“电离圆盘”中。 δ 0的 经验值为0. 15－0. 35mm，是限制0K时分辨率 的主要因素。
(2)由测不准关系导致的成像离子切向动量不 确定性引起的像尺寸扩展δ u
1.3 电场诱导应力
带电电容器的两极之间存在着相互吸引力， 在FIM中也存在类似的力。不过其中一个电 极(针尖)非常小，因此在样品顶部存在很高 的局部应力。对一个表面电场强度为F0的带 电球，垂直于表面的应力σ0为：
1.4 FIM的工作范围
只有在一定工作条件下，才能使试样不断 裂，并获得清晰的FIM像。由于成像气体的电离 场F1，试样的蒸发场FE和使试样断裂的应力对 应的电场FY都与温度有关。只有当FE大于F1，并
2. 2. 3数据分析
对于AP分析法中的单原子种类识别和选 区分析，关键是选择合适的实验条件，如 Vp/VDC比值，试样温度，场蒸发速率等， 其结果十分直观，除作一般的误差分析外， 不必作特殊的数据处理。但对随机区域分 析，得到的是分析小柱体中，成分沿深度 方向的变化。
2.3 其他类型的原子探针 1.成像原子探针((IAP) 2.能量补偿原子探针(ECAP) 3.脉冲激光探针(PLAP) 4.三维原子探针
3.2.1 点缺陷
FIM能分辨出单个原子可以直接看到的点 缺陷，应该是研究点缺陷的有力工具。但由 于FIM像衬度解释上的困难，即暗位置与空 位，或亮点与间隙原子之间常常不是一一对 应关系，FIM的结果在定量上并不完全正确。 另外，由于试样体积很小(约为10-21m3数量 级)，在求点缺陷的浓度时，统计性较差。
3.3 合金中的相变
1、 有序一无序相变 2 、形核长大型相变 3、失稳分解(spinodal分解)
AP实验过程中，最原始的记录是按离子被收集 到的先后次序，显示其质荷比，同时亦列出蒸发各 个离子所需的脉冲数。这种原始显示，可直接用于 数据量很少的单原子识别。为了从中取得更多的信 息，发展了很多软件，可得到质谱图、符号图、沿 深度方向成分剖析图、阶梯图、累积剖析图等。可 以根据研究间题的需要，分别采用其中的几种数据 表示法。
3. 2. 2 位错 3. 2. 3 面缺陷
面缺陷主要包括晶界、相界、层错和反相畴界等。 在FIM像中如果晶界或相界优先蒸发，则它们为一暗 线，且在界面处两侧的环状结构互不连续。晶界的 FIM像首次令人信服地证明，纯金属中大角晶界不是 厚的液态膜，晶界宽度只有1 -2个原子层，从而结束 了数十年关于晶界宽度的争论。
3.1 表面物理
用AP-FIM研究表面时，在看到表面原子排列 的同时，还可以鉴别单个原子的种类。目前为研 究表面现象而设计的AP-FIM，其真空度高达19Pa。场蒸发后，试样的表面十分清洁，这是用 AP-FIM研究表面现象的最大优点。
1.单原子吸附在表面的结合能 2.表面扩散
3.2 晶体缺陷
式中r为试样半径;R为试样表面到荧光屏的距离; (R十r)为荧光屏球的半径。实际上试样为针状， 正离子运动轨迹开始时垂直试样表面以后由于针 杆上及样品支架上的正
电场将使其轨迹向试样轴方向弯曲，放大倍数会 减小，见图
1.5.2 分辨率
所谓分辨率是指显微镜所能分辨的物空间 的最小距离。
沉淀相的成分只能用原子探针来确定。当合金 中析出几类不同的沉淀相，但其衬度非
2、原子探针(AP)
2.1 飞行时间AP 2.1.1 原理 最简单的AP是飞行时间AP (TOFAP) ,称为常规
AP。
由于离针尖表面数纳米内，电场强度急骤下降， 作为较好的一级近似，可以认为，刚离开试样表 面，离子即被瞬时地加速到它们的最后速度。设 试样上所加电压为V，发生场蒸发时，试样表面 处正离子的电势能全部变为动能
式中m,ne和v分别为离子的质量、电荷和速度。若试样 顶端到探测器的距离为L，则
2.1.2 装置设计
2.2 AP分析
2. 2. 1 AP分析方法
常用的AP分析方法有三种:单原子种 类识别、选区分析和随机区域分析，即沿 深度方向的成分剖析。可以根据研究间题 的性质，选用相应的AP分析方法
2.2.2 数据的表示
合金FIM试样用电解抛 光法制成，制备电镜薄 膜试样的电解液和抛光 条件，也适用于制备 FIM针尖，但有时要稍 稀一些，使抛光速度减 慢便于控制。
具体电解抛光法见图：
抛光常分两阶段，第一阶段抛光速度可以较快， 直到在试样下部某处出现比其它部分截面要细的 “腰”为止。第二阶段放慢抛光速度，使“腰” 部逐渐变细，试样在该处断裂的瞬间，马上切断 电源，终止抛光。整个抛光过程用立体显微镜监 视，控制针尖形状和切断电源的时间。有经验的 实验者可以用光学显微镜来判断已抛成的样品尖 端是否符合FIM观察的要求。
(3)成像离子平行于表面的切向热运动造成的 像尺寸的扩展δ t。
把这三个因素合并在一起，得到FIM的分辨率δ
1. 6 合金的成像衬度
1.6.1 无序固溶体 合金的成像机理比较复杂，这是因为各种元素在合金 中的场电离和场蒸发行为不同。试样表面电荷会向电 负性大的一方原子转移，电负性小的原子周围局部电 场增强，成像气体电离几率增加，其像较亮些。这是 “选择电离”机理。
Hale Waihona Puke .6.2 有序合金和化合物1.6.3 不同相的衬度
过饱和固溶体分解时，沉淀出第二相。与基体相 比，大部分沉淀相显示出亮的或暗的衬度。这种衬 度主要决定于沉淀相与基体相两者场蒸发行为的差 异。如果沉淀相比基体难以场蒸发，则随场蒸发过 程的进行，它将从试样表面突起来，该处局部电场 强度高，因而场电离几率也高于其周围基体。沉淀 相在FIM像上形成亮区见图4-15b。反之如沉淀相 比基体容易场蒸发，则在FIM像上呈暗区。通常熔 点愈高的相，衬度愈亮。此外，析出相的衬度还依 赖于试样的温度和成像气体的种类。
原子探针－场离子显微镜(FIM)
1、场离子显微术原理
1.1 试样准备
这是FIM实验中十分关键的一个步骤。典 型的已制备好的FIM试样是很细的针，尖端
曲率半径约为20-100 nm。制备针尖的初始 材料一般是直径为0. 1-0. 3 mm的细丝，可 以由冷拔丝直接获得或由电火花切割成小方棒 再磨制而成。
1.2 FIM原理
1.2.1仅器与成像原理
1.2.2 成像气体的场电离（field ionization)
在强电场作用下，紧靠金属表面的气体 原子通过量子力学隧道效应，失去电子变 为正离子的现象称场电离。
1.2.3 金属原子的 场蒸发(Field Evaporation)
针尖试样上施加足够 强的电场强度后，表 面原子会离开试样， 形成正离子，这个过 程称为场蒸发。如果 试样表面已吸附了一 层气体原子，施加一 定强度的电场后，可 去除此吸附层，这个 过程称场脱附(Field Desorption )。
大于最佳成像电场FBIF时，才能得到稳定的FIM像， 否则在还未达到清晰的像时，试样己开始蒸发， 无法形成稳定的像。
1. 5 放大倍数与分辨率
1.5.1 放大倍数
FIM结构比较简单，成像时不需要透镜。如果
FIM试样与荧光屏构成两个同心球，则成像离子轨
道垂直于试样表面，放大倍数η 可由下式给出：