原子探针

分不同，但他们在沉积生长时都是沿着同一个晶体学方向〈111〉生长， 这对提高薄膜的性能是一个重要因素。可以看出，研究多层膜材料显微 组织与物理性能之间的关系，三维原子探针是一种有效的分析手段。
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图（7） a)Ni, Co和Cu原子在多层膜中的三维分布图(体积为～20nm×～ 2015-4-1 20nm×～35nm )， b)所选区域两层膜之间的剖面图
效10h后，用三维原子探针获得的分析结果， 相平行于(111)面而
相平行于(100)面。图（6）b和图（6）c是对应于图（6）a中b、c直
线处的 相和 相断面中Cu、Mg、Ag原子的浓度分布，可以看出Mg
和Ag原子聚集在 相/基体界面上， 相生长时Mg和Ag原子必须先要 向基体中扩散，所以 相热稳定性好，不易长大。
103 - 104 倍电子,信 号可放大
图（2） 三维原子探针的结构示意图
三维原子探针大约是在1995年才推向市场的新型分析仪器，是在
原子探针的基础上发展的：在原子探针样品尖端叠加脉冲电压使原子
m t2 电离并蒸发，用飞行时间质谱仪测定离子的质量/电荷（ 2eU 2 ） n s
比来确定该离子的种类，用位置敏感探头确定原子的位置（见上图）。
m 2e 2 (Udc Up )( t ) 2 n D
（2）
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当准确测出离子飞行时间t时，根据公式（2）可计算出离子 的质量电荷比，从而鉴别出是什么元素，达到原子分辨水 =1和 =0时，式（2）则 平的化学成分分析的目的。当取 成为
m 2e 2 (Udc Up )t 2 n D
图（1）带有离子反射型能量补偿装置的常规AP
•首先，在低于Ee的成像条件下获得样品表面的场离子图像， 通过调节样品的位向，使欲分析的某一原子像点对准荧光屏 的小孔，它可以是偏析的溶质原子或细小的沉淀物相等等。
当在样品上施加高于蒸发场的脉冲电压时，该原子将产生场
蒸发。此时电离的原子从样品表面剥落，但只有穿过小孔的 离子才能进入质谱仪被分析。这些离子的质荷比m/n可利用 飞行时间质谱仪来测出离子飞行时间求得。
图（3）有序FeAl合金中硼原子在刃型位错附近的Cottrell气团
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。
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Up ，针 U dc ，脉冲高压为 若在针尖样品上施加的直流高电压为 尖到检测其距离为D（通常长达1~2m），离子的价数为n， 质量为m，则离子的能量和飞行速度v有如下关系
1 mv 2 ne (Ucd Up ) 2
（1）
式中， 是脉冲因素。由于 v D /(t ) ，t是离子飞行时间， 是延迟常数，则由（1）式可得离子的质量电荷比为
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3、铝合金中弥散相的析出过程
淬火固溶处理，然后时效沉淀强化是增加Al合金强度和硬度的有效方法。 Al-Cu合金是一种典型的代表，添加微量Mg和Ag元素后，除了（CuAl2）
沉淀相外，还出现了一种相。图（5）是Al-1.7Cu-0.3Mg-0.2Ag合金经过固
溶时效处理后（190℃-8h）的TEM明场像，显示有片状的相，与211痕 迹一致的薄片是在111面上的相，与[011]痕迹一致的薄片是在（001）
子。所以，当一个处于台阶边缘的原子被蒸发后，与它挨着的一个或
几个原子将突出于表面，并随后逐个地被蒸发；据此，场致蒸发可以 用来对样品进行剥层分析，显示原子排列的三维结构。
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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 金 属 Ee (MV/cm) 难熔金属 400~500 过渡族金属 300~400 Sn 220 Al 160
第一台原子探针也是由E.W.Mü ller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。
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子在晶界上偏聚的情况，三维原子探针是最合适的方法，前提是在试样 的针尖上存在晶界。图(4）是三维原子探针的分析结果，可以看出B原子
偏聚在晶界上，并延伸到晶界两侧1~1.5nm处。B元素在晶界上的浓度是
添加含量的250倍，在结晶的初期，P元素不发生明显的晶界偏聚。
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图（4） B、C、P原子在深冲钢板晶界(GB)附近的三维分布图及其在晶 界附近的浓度分布
END THANK YOU
原子探针（Atom Probe）
材料科学与工程学院 制作者：王蕾
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场致蒸发的另一应用是所谓“原子探针”，
可以用来鉴定样品表面单个原子的元素类别。它
是一台场离子显微镜与一台质谱仪的组合。
首先，在低于Ee的成像条件下获得样品表面
的场离子图像。
通过观察窗监视样品位向的调节，使欲分析
的某一原子像点对准荧光屏的小孔，它可以是偏 析的溶质原子或细小沉淀物相等。
（3）
Up 以kV为单位，t以s ，D以m为单位，则公 如果取 U dc 、 式（3）变成原子探针中常用的计算质荷比公式
m 0.193 2 (Udc Up )t 2 n D
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（4）
三维原子探针
•图（1）为带有离子反射型能量补偿装置的常规（一维）AP，离子穿过
荧光屏的探测小孔经过能量补偿后改变飞行方向到达探测器。仪器测定
离子从试样到探测器的飞行时间，计算其质荷比，从而推断其种类。但 常规AP只能确定探测到的从试样最表层蒸发而来的离子，但无法确定该
离子原来在表面层上的位置。当第一层蒸发后，记录第二层（现为第一
层）蒸发出来的离子。因此，常规AP只能确定离子沿深度方向的z坐标， 精确到一个原子面间距的距离，但失去了离子在表面层位置（x,y）坐标
备，在硅的基片上交互沉积不同元素组成的薄层，每层薄膜的成分和厚
度是：Ni-20Fe(5nm)/Co-10Fe(4nm)/Cu(3nm)/Co-10Fe(4nm)。从图（7）a 可以看出各层界面的粗糙度、界面处不同原子之间的扩散混合情况。从
图（7）b可以分辨出一层一层的原子面，并且可以看出虽然每一层的成
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图（6） Al-1.7Cu-0.3Mg-0.2Ag合金在180oC-10h时效后用三维原子 2015-4-1 探针分析获得的结果
4、多层膜材料界面的分析
•多层薄膜材料是一种具有巨磁阻现象的功能薄膜材料，用作数据的存储

和记录，通过多种不同元素交替沉积而成。图（7）是用三维原子探针
分析Ni、Co和Cu原子在多层薄膜中的分布结果，它的针尖状样品是用聚 焦离子束的方法制备的。薄膜是在高真空环境中采用溅射沉积的方法制
的信息。
•为能测得蒸发离子的坐标（x.y），Blavette等设计了三维原子探针 （3DAP）如图（2）所示。
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微通道板
三维原子探针的关 键问题在于探测器 的设计和制造. 当 触发信号(脉冲电压 )施加到样品上，原 子从样品尖端表面 蒸发,成为离子飞出 并击中由微通道板 制成的探测器. 微 通道板是一种将离 子象增强为电子象 的“板”,由许多< 45μm玻璃毛细管 组成的电子倍增器, 入射离子进入毛细 管后激发产生二次
2、B元素在深冲钢板晶界上的偏聚
•超低碳的IF深冲钢板是汽车制造工业中的一种重要原材料。降低C元素
和N元素可以提高钢板的成型性能，但会降低晶界的的结合力，在经受
深冲变形时会造成晶间的脆性断裂，而添加微量B元素是一种补救的办 法，且不影响成型性能。用示踪原子和俄歇电子谱方法研究的结果表明，
B原子在再结晶初期就会偏聚在晶界上，起到强化晶界的作用。研究B原
面上的 相。 相热稳定性好，不易聚集长大，有利于提高合金的高温强
度。用三维原子探针研究这种Al合金在淬火时效时相和相的形成过程， 可揭示相热稳定性好的原因。
图（5） Al-1.7Cu-0.3Mg0.2Ag合金经过固溶时效处理 后（190oC-8h）的TEM明场 象
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Al-1.9Cu-0.3Mg-0.2Ag合金样品固溶处理后在180℃时效15s，从三维 原子探针的分析结果中可以看到形成了Mg-Ag富集的GP区，其中不
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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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1、基本原理
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，进而被计算机所搜集。
由于表面上突出的原子具有较高的位能，总是比那些不处于台阶 边缘的原子更容易发生蒸发，它们也正是最有利于引起场致电离的原
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。
原子探针的应用