原子探測 X線體層照相術：看見百萬原子….在 3D

作者： Krishna Rajan，主任、材料學的學院組合發現，部門和工程，愛荷華州立大學教授
對應的作者： krajan@iastate.edu

簡介

在固體 nanostructures 顯微學和微量分析世界，一個唯一原子或分子定義了最終長度縮放比例。我們面對的挑戰是想像每唯一原子和能識別其化學; 并且這是許多技術的發展的驅動力顯微學和微量分析 (圖 1)。此的一些好例子，特別是在材料學，包括高分辨率透射電鏡術和掃描挖洞顯微學 (和其衍生物基本強制顯微學)。

圖 1。 化工區分和空間分辨率一個定量比較在各種各樣的 microanalytical 技術中。 APT 在其能力也擅長獲取化工和結構信息的不同的形式。

在過去三十年期間，有在透射電鏡術的發展的平穩的推進通過充分利用電子光學物理範圍從減少的變型關聯了透鏡對變型與電子探針相關。由於這些改善，我們可以現在達到在固體內部結構的基本縮放比例想像的子埃解決方法。

同樣，瀏覽的探測顯微學 (或「在探測是接近這個標本) 的 field 技術附近可能提供固體的表面的基本縮放比例圖像。原子探測 X線體層照相術 (APT)表示為能在三維數的圖像各自的原子的材料的一個革命描述特性工具，在其他顯微學技術的二維圖像的主要推進^1-8。

實際上 APT 也是允許我們檢測每個原子的化工身分的一個化學分析工具。 APT 的唯一性由這個情況進一步提高一個能圖像數千萬個原子和不僅僅一些個十或者至多幾百餘原子在 STM 或 TEM (圖 2)

圖 2. 成群 (紅色原子) 在鋁 (藍色原子) 合金的 Sc APT 圖像

原子探測 X線體層照相術的原則

APT 有其始發地在域離子顯微鏡 (FIM)，在一根鋒利的針的表面原子像標本的 wherethe (這個範例的技巧的半徑少於 50 毫微米) 是由域被電離的氣體原子是印象的設想在想像屏幕上。 FIM 是解決在針表面的各自的原子像標本的在百萬次期間的一個 lensless 點投影顯微鏡。

一臺質譜儀的綜合化到這個系統裡， FIM 轉變了成什麼一般現在被命名作為原子探測 X線體層照相術 (APT)，導致三維作文圖像在與非常高分析區分 (每百萬的 10 基本部分的基本縮放比例)。它介入原子受控刪除從標本的表面通過域蒸發或激光搏動，然後順序地想像和分析他們與定期飛行 (TOF)質譜儀。

提取的離子設想在記錄的他們的地點一臺位置敏感的探測器上。在離子的定期飛行評定提供他們的化工身分作為這個離子 (圖 3) 的質量對充電比例。當 FIM 由埃爾溫 W. Mullerr 原來地開發半個世紀前時，并且原子探測顯微鏡追溯到 Ca. 1968年，只相當最近是非常完善和可靠的儀器變得商業可用。局部電極原子探測進一步增加的最近 (LEAP)商品化原子的最大數字在分析數千萬個原子和使分析時間降低到分鐘而不是幾天^4-6。

圖 3. 從激光的 FIM 圖像搏動了顯示低密度原子的 W 技巧在主要晶體取向附近

應用

此技術的歷史演變和應用許多非常好的概覽存在^1-8。當與一相互平面基本層的深度解決方法描出的深度的結合， APT 提供所有微量分析技術的最高的空間分辨率。此功能提供一個唯一機會實驗學習與基本解決方法，化學製品成群和原子的三維配電器。這個能力解決與基本縮放比例解決方法的這樣結構上和化工詳細資料允許一跟蹤在化學 (圖 4) 上的空間的變化

圖 4。 在圖 (a) 一个可能觀察在垂直運行的銅的晶格面。這些飛機明顯的曲度歸結於有助畸變。每個小點與一個原子相關。在顯示 3 銅 (橙色)，氧氣 (紅色) 和 CuO (藍色) 離子的尺寸配電器的圖 b 的同一個標本與一超薄層氧化物交往在銅的表面。圖 (c) 顯示與子毫微米解決方法的一個作文配置文件。

APT 的因此非常影響作為在 nanoscience 的一個工具由其集體的功能管理：

在基本級別的圖像，
分析化學在這個基本級別和
會集信息這兩選件類在三維數和與在標本的空間的選擇性與數千萬個原子

以這些功能，迅速地適用 APT 論及大多 nanoscale 科學問題例如映射在半導體和此致的摻雜物成群在複雜合金。這樣根本研究影響大多工程技術包括在電子材料的發展例如 photovoltaics 和數據存儲。這個能力空間解決成群在複雜合金的化學製品有重要分枝在高溫材料的下一代設計例如航空航天材料。

APT 的遠期

遠期 APT 在 nanoscience 和技術領域扣人心弦以及富挑戰性。二種這樣應用在學習固定氣體回應的原地研究領域，并且其他是生物材料的研究

例如研究員開發原子探測的氣體回應房間學習催化反應。如注意由塞雷索 et.al。，這個標本的針形狀是好處在回應的研究中在催化劑材料表面的。在這種情況下，這個針型標本的尖頂是一半的一個好類似物催化劑/納米顆粒，多個晶面在非常與互相的幾乎接近顯示。這使成為可能學習作用由於在另外結晶學之間的地區的互相作用，不同於在使用平面的單一水晶標本的大部分表面科學實驗。「材料在表面科學，造成縫隙」這有時被稱為。連接氣體回應房間與 APT 可能幫助論及基本站點是最易反應的問題和穩定這樣催化劑表面如何是在更改的構成面前易反應的氣體分子的流速

生物範例的研究通過 APT 為結構上的生物提供在一個新的途徑的扣人心弦的潛在。如注意 Greene et.al。使用¹⁰APT，有效分析生物和有機標本，幾實驗參數這樣作為基體選擇，電場強度、溫度和激光脈衝特性必須被優選產生可以 repeatably 從這個典型的有機背景被蒸發和可靠被識別的質量片段。

終於，應該認可原子探測實際上是「Hubble 望遠鏡」材料的，以史無前例的能力檢測原子的大編號以非常快速速度。此實驗功能反過來創建涉及的一個計算挑戰需要被處理定量圖像和化學的大信息量提供的數據洪水¹¹。