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深入解析三維原子探針(APT)的工作原理及在各領(lǐng)域的應(yīng)用
來源: 時間:2023-11-06 13:47:32 瀏覽:5928次


深入解析三維原子探針(APT)的工作原理及在各領(lǐng)域的應(yīng)用

 

三維原子探針3D Atom Probe,簡稱 APT)是一種能夠在原子尺度上對材料進(jìn)行三維重構(gòu)和化學(xué)元素分析的顯微技術(shù),該技術(shù)通過場離子顯微鏡和飛行時間質(zhì)譜相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對材料內(nèi)部原子分布和化學(xué)組成的精確測量。


 
 
 


一、原理

1. 樣品制備:首先,需要將待分析的樣品制成一個尖銳的半球形尖端,直徑通常小于 100nm,樣品尖端需要冷卻到約 -200 攝氏度,并保持超高真空(約 10^-11 托)。
2. 場離子顯微鏡(FIM)成像:在 FIM 中,離子從尖端連續(xù)地被場電離出來,并通過一個位置敏感探測器收集,施加在樣品上的直流電壓(通常在 2 10 千伏之間)會在尖端產(chǎn)生高電場,根據(jù)電場強(qiáng)度和樣品尖端的曲率半徑,實(shí)現(xiàn)對離子的控制。
3. 飛行時間質(zhì)譜(TOF)分析:離子經(jīng)過場電離后,進(jìn)入飛行時間質(zhì)譜儀進(jìn)行質(zhì)荷比分析,飛行路徑分為直線飛行和反射式飛行兩種,分別適用于不同類型的儀器配置。
4. 數(shù)據(jù)采集與重建:在 APT 分析過程中,記錄離子撞擊檢測器的位置信息,利用背投算法確定樣品中原子的原始位置,通過逐層分析,實(shí)現(xiàn)對材料的三維重構(gòu)。
 
二、應(yīng)用
1. 材料科學(xué):包括合金、納米材料、薄膜材料等領(lǐng)域的原子尺度分析。通過 APT,可以實(shí)時觀察原子在不同材料中的分布和運(yùn)動,為材料研究提供有力支持。
2. 生物醫(yī)學(xué):主要體現(xiàn)在對細(xì)胞、組織和器官的原子尺度分析。例如,利用 APT 研究細(xì)胞骨架、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和生物大分子相互作用,有助于揭示生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的原子級奧秘。
3. 地質(zhì)與環(huán)境科學(xué):對礦物質(zhì)、巖石和土壤等進(jìn)行化學(xué)成分和原子尺度結(jié)構(gòu)分析,這有助于探究地球內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境演變過程。
4. 半導(dǎo)體與電子技術(shù):用于分析薄膜、器件和電路板等微電子材料的原子尺度結(jié)構(gòu)和成分;這對于優(yōu)化器件性能、提高生產(chǎn)工藝質(zhì)量和解決失效分析等問題具有重要意義。
5. 能源與催化:研究催化劑、燃料和電池材料等的原子尺度結(jié)構(gòu)和成分。這有助于新型催化劑的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和工業(yè)化應(yīng)用。
6. 納米技術(shù):研究納米材料的原子尺度結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。這對于發(fā)展高性能納米器件和優(yōu)化納米材料的應(yīng)用具有重要意義。
 
三維原子探針(APT技術(shù)憑借其高分辨率、高靈敏度和廣泛的應(yīng)用范圍,已成為現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域不可或缺的分析工具;隨著 APT 技術(shù)的不斷發(fā)展,其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步拓展,為人類探索微觀世界提供強(qiáng)大支持。


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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具?,F(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會。
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