原子探测层析成像：在3D中看到数百万原子

在显微镜的世界和固态纳米结构的微量分析中，单个原子或分子限定了最终的长度。我们面临的挑战是成像一个原子，能够识别其化学;这一直是发展许多显微镜和微观分析技术的驱动力（图1）。其中一些很好的实例，特别是在材料科学中，包括高分辨率透射电子显微镜和扫描隧道显微镜（欧洲杯足球竞彩及其衍欧洲杯线上买球生原子力显微镜）。

图1所示。各种微量化技术中化学敏感性和空间分辨率的定量比较。APT还擅长捕获化学和结构信息的不同模式的能力。

在过去的三十年中，通过充分利用电子光学的物理来减少将透镜与电子探针本身相关联的像差的物理学来发展透射电子显微镜的稳定进步。由于这些改进，我们现在可以实现固体内部结构的原子尺度成像中的亚埃分辨率。

类似地，扫描探针显微镜（或“近场的”近场“技术，其中探针接近样本）可以提供固体表面的原子尺度图像。原子探测断层扫描（APT）代表了可以以图像图像图像的革命性表征工具欧洲杯足球竞彩原子三维，对其他显微镜技术的二维图像的主要进步^１－８．

事实上，APT也是一种化学分析工具，可以让我们检测每个原子的化学特性。APT的独特性进一步增强，因为在STM或TEM中，人们可以成像数亿个原子，而不仅仅是几十个或至多几百个左右的原子(图2)。

图2．在铝(蓝色原子)合金中Sc聚集(红色原子)的APT图像

原子探针层析成像原理

APT起源于场离子显微镜(FIM)，在FIM中，电场电离气体原子投影到成像屏幕上，对尖状样品(样品尖端半径小于50 nm)上的表面原子进行成像。FIM是一种无透镜点投影显微镜，可以将针状标本表面的单个原子分解一百万次以上。

随着质谱仪到系统中的集成，FIM已经发展到现在始工称为原子探测断层扫描（APT）的内容，其在原子尺度下以非常高的分析灵敏度产生3D成分图像（每次10个原子零件）百万）。它涉及通过现场蒸发或激光脉冲从样本表面进行受到控制的去除，然后用飞行时间（TOF）质谱仪依次成像和分析它们。

提取的离子被投影到位置敏感的检测器上，用于记录它们的位置。离子上的飞行时间测量为它们的化学标识提供为离子的质量与电荷比（图3）。虽然FIM最初是由ErwinW.Müller开发的半个世纪以来，而Atom探测显微镜本身可以追溯到CA.1968年，最近唯一可公平地，高度复杂和可靠的仪器已成为可商购。最近局部电极原子探针（LEAP）的商业化进一步增加了分析数百百万个原子的最大原子数，并将分析时间减少到分钟而不是几天^4-6．

图3．激光脉冲W尖端的FIM图像显示在主要晶体取向附近的原子密度较低

应用程序

关于这一技术的历史演变和应用有许多优秀的概述^１－８．当结合一个平面间原子层的深度分辨率进行深度剖析时，APT提供了任何微分析技术中最高的空间分辨率。这种能力为实验研究原子分辨率、化学聚簇和原子的三维分布提供了独特的机会。用原子尺度分辨率来解析结构和化学细节的能力允许跟踪化学中的空间变化(图4)

图4．在图(a)中，我们可以观察到铜的晶格面垂直运行。这些平面的表观曲率是由于仪器的畸变造成的。每个点都与一个原子相关联。同样的样品在图b中显示了铜(橙色)、氧(红色)和CuO(蓝色)离子的三维分布，这些离子与铜表面的一层超薄的氧化物相关联。图(c)显示了亚纳米分辨率的组成剖面。

因此，APT作为纳米科学工具的非凡影响力取决于它的集体能力:欧洲杯线上买球

• 图像在原子水平，
• 在原子水平上分析化学
• 在三维空间中收集这两类信息，并在具有数亿原子的样品中利用空间选择性

有了这些能力，APT正迅速被应用于解决一系列纳米尺度的科学问题，如半导体中的掺杂剂映射和复杂合金中的溶质聚集。欧洲杯线上买球这些基础研究影响了一系列广泛的工程技术，包括光电和数据存储等电子材料的发展。欧洲杯足球竞彩在空间上解决复杂合金化学聚簇的能力对下一代高温材料(如航空航天材料)的设计具有重要的影响。欧洲杯足球竞彩

APT的未来

APT在纳米科学与技术领域的前景既令人兴奋，又充满挑战。欧洲杯线上买球其中两个应用是在原位研究领域研究固气反应，另一个是生物材料的研究欧洲杯足球竞彩

例如，研究人员开发了一种用于原子探针研究催化反应的气体反应室。正如Cerezo等人所指出的。，样品的针状形状在研究催化剂材料表面反应方面具有优势。欧洲杯足球竞彩在这种情况下，针状样品的顶端是一个很好的模拟催化剂/纳米粒子的一半，其中多个晶面非常接近地暴露在彼此。这使得研究由于不同晶体学区域之间的相互作用而产生的效应成为可能，不像在大多数表面科学实验中使用平坦的单晶样品。欧洲杯线上买球这有时被称为表面科学中的“材料缺口”。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球将气体反应室与APT连接起来可以帮助解决一些问题，比如哪个原子位置最具活性，以及在面对活性气体分子的组成/流量变化时，催化剂表面的稳定性如何

通过APT对生物样本的研究为结构生物学提供了一种令人兴奋的新方法。正如格林等人所指出的。¹⁰，为了有效分析生物和有机标本的使用APT，几个实验参数 - 例如基板的选择，电场强度，温度和激光脉冲特性 - 必须优化，以屈服的质量片段可以可重复蒸发和可靠地识别典型的有机背景。

最后，应该认识到，原子探针是一种感觉的“哈勃望远镜”的材料，具有前所未有的能力以极快的速率检测大量原子。欧洲杯足球竞彩这种实验能力依次创造了处理通过需要处理的大量信息提供的数据洪水的计算挑战，以量化图像和化学¹¹．

参考

1.一个Cerezo，P.H.Clifton，S. lozano-perez，P.Panayi，G.Sha和Gdw Smith;概述 - 三维原子探测器和应用中的最近进展;微。MicroAnalyis 13 408-417（2007）
2.MK Miller, A Cerezo, MG Hetherington， & GDW Smith，原子探针场离子显微镜，第447-465页。英国牛津:牛津大学出版社。（1996）
3.原子探针层析成像:一种纳米尺度的表征技术，微科学。Microanal。10:336 - 341 (2004)
4. T.F.Kelly，D. J. Larson，K.Thompson，J.D。奥尔森R.L.L.Alvis和J.H.Bunton，B.Gorman，原子探测器的电子材料探测层析术;欧洲杯足球竞彩材料研究年度审查，37：681-7欧洲杯足球竞彩27，（2007）
5.t·f·凯利和m·k·米勒。特邀评论文章:原子探针断层摄影术。仪器仪表学报，78(03):1101 (2007)
6.三维原子探针断层扫描:进展与应用。启板牙。研究》2007。37:127-58
7.m·k·米勒。原子探针断层。Kluwer学术/全会出版社，纽约，(2000)。
8. M. K. Miller，A.Cerezo，M.G.Heatherington和G. D.D.W.Smith，原子探针现场离子显微镜，Slarendon Press，牛津（1996）
9.GDW三维原子探针研究气体在合金催化剂表面的吸附和反应:I- Instrumentation Surface Science 600 3028-3035 (2006)欧洲杯线上买球
10.生物材料原子探针层析成像技术的发展;欧洲杯足球竞彩Microsc Microanal 15(Suppl 2)， (2009) 582-583
11. S. Seal，M. Moody，A. Ceguerra，S. Ringer，K.Rajan和S. Aluru。跟踪合金中的纳米结构演化：蓝色基因/ L原子探测断层扫描数据的大规模分析。在proc。第37届并行处理国际会议（ICPP），338-345，（2008）