作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/vDqt0WvO__HICXVbMtoP_g
原子探针断层扫描（Atom probe tomography，APT））能实现材料的三维成分成像，空间分辨率可达亚纳米级别，原则上对探测元素的质量没有上下限限制，且质量分辨率通常足以区分每种元素的各个同位素。
这些核心优势让 APT 的应用场景十分广泛：既能推断特定元素分布对材料性能的影响、指导新材料设计，也能更精准地预测材料在使用过程中的失效时间，还能揭示材料本身的形成机制或其发现地的地质演化历史。
典型的块体材料，无论是人造的工程合金、半导体器件、还是天然的矿物，都具有多尺度、复杂的层级结构。
图 1a：典型块体材料的多尺度复杂层级结构示意图，适用于人造固体材料（如工程合金、半导体器件）和天然固体材料（如矿物），直观展示材料从原子级到微观级的层级特征（如晶格、缺陷、相界面等）。
在晶体材料中，原子按规则晶格排列，溶质原子要么取代晶格上的溶剂原子，要么填充在晶格原子的间隙里；同时晶体中还存在多种缺陷，比如空位、位错、堆垛层错、孪晶等晶格缺陷，以及晶界、第二相、相界、孔洞等微观结构缺陷。此外，材料中可能存在稳定相和亚稳相，其与工作环境的界面还会发生氧化、裂纹等相互作用；部分材料为非晶态且含不同缺陷，还有些器件（如多层薄膜器件）具有明确的人工结构和多个界面。
1 APT 的技术起源与定位
APT的技术源头是场离子显微镜（FIM），而 FIM 的前身是场发射显微镜。这两类技术的核心优势在于原理简洁：向针状样品施加高电压，会产生强静电场，与避雷针聚集电场的原理一致。样品针放置在离子探测器（可选用磷光屏或粒子探测器）前方，施加负静电场时会引发电子发射；反转电压极性后，则会出现两种特殊现象——场电离（样品表面附近的原子被电离）和场蒸发（样品表面的原子电离后脱离样品）。值得一提的是，样品本身就相当于 “投影光学元件”，无需额外配备透镜，带电粒子初期近乎沿径向飞行，轨迹仅由静电作用决定。
由于样品针尖的末端半径通常小于 100 纳米，投影放大倍数可达 10⁶量级 —— 原子间原本仅 10⁻¹⁰米的距离，经放大后能达到 10⁻⁴米，肉眼即可分辨。20 世纪 50 年代，FIM 首次实现了表面原子的直接成像；而原子探针则将这种成像技术与飞行时间质谱仪相结合，赋予了其成分分析功能。
“原子探针” 的命名初衷是对应电子探针显微分析仪，但这个名字存在一定误导性：APT 用于探测的离子来自样品自身产生的束流，而其他分析技术通常采用外部照射源（光或电子）。
早期原子探针仅能进行深度剖析，经过重大设计改进并引入位置灵敏探测器后，才发展出三维或断层扫描原子探针。
2 APT 的技术互补性与独特优势
并非所有微观结构特征都能通过APT直接分析。APT本质是成分成像工具，无法直接观察空位、位错、层错、晶界等结构缺陷，但这些缺陷会导致周围化学成分出现偏析（即成分不均匀），这种偏析能间接反映缺陷的存在。
在纳米尺度成像与分析技术中，APT 与SEM、(S) TEM，EDS和EELS、SIMS等形成了很好的互补。APT其独特之处在于：既能达到百万分之几十的高成分灵敏度，又能实现小于 1 纳米的特征分析尺寸，且自带三维成像能力 —— 这是上述其他技术所不具备的核心优势。
图 1b：常见纳米尺度成像与分析技术的 “特征尺寸–成分灵敏度” 对比图
如今，APT 仪器的高通量设计、广泛适用性，以及样品制备与转移技术的进步，推动了该技术的国际化发展。截至 2020 年，全球已有100个装备APT的研究团队，分布在共享实验平台和国际领先的材料企业中。
本文将讨论 APT 的基础实验原理、样品制备以及数据处理。
3 实验原理与方法
APT 实验的核心框架包括超高真空腔体内的装置结构、支撑技术的基础科学原理应用，以及适配APT分析的样品制备方法。
原子探针设计
现代原子探针的核心结构具有诸多共性，分析过程需在超高真空腔体内进行，腔体内真空度通常维持在 10⁻⁸到 10⁻⁹帕的范围。样品被安装在可低温冷却的样品台上，冷却温度可达 20-80 开尔文（由闭路氦基低温制冷器末端的冷指与控温热阻器配合实现）。样品台将样品固定在对电极前方（间距为几十微米至几毫米），并连接最高可达 15 千伏的直流高压电源。
图 2a：现代原子探针（以局部电极原子探针 LEAP 为例）的核心结构示意图，展示了超高真空腔体、低温样品台、对电极、激光聚焦系统、离子反射镜及延迟线探测器的布局
目前最常用的商用设计是局部电极原子探针（LEAP），其样品台可进行三维移动，方便将样品对准孔径约 40 微米的微电极。尽管此前已有类似结构的原型机，但 LEAP 的高通量设计（可同时装载多个样品并依次分析）极大促进了 APT 技术的推广。
场蒸发及后续的离子飞行时间测量，主要通过两种方式触发：一是高压脉冲（改变电场强度），二是激光脉冲（改变样品温度）。
高压脉冲模式下，会向对电极施加持续数纳秒、振幅为直流电压 10%-25% 的负高压脉冲；激光脉冲模式下，脉冲激光束会聚焦于样品尖端 —— 早期仪器采用纳秒脉冲激光，最先进的仪器已升级为皮秒至飞秒级脉冲，波长通常在近紫外区（约 350 纳米），部分研究用仪器还配备了可变波长激光源。
在离子飞行路径的对电极之后，有时会配备离子光学器件，其中最常用的是反射镜。反射镜相当于 “静电镜”，能偏转离子轨迹，延长离子飞行时间，从而提高测量的相对精度和质量分辨率。
图 2b：原子探针中离子反射镜的工作原理示意图，显示反射镜对离子飞行轨迹的偏转作用，通过延长离子飞行时间提高质量分辨率
探测器系统位于距离样品 10-50 厘米处，核心是单粒子延迟线探测器（由微通道板和阳极组成）。微通道板能将单个离子的撞击信号放大为数十万个电子，再由阳极收集这些电子。最先进的 APT 阳极包含三条延迟线，通过处理每条延迟线两端的电子信号，可精确计算离子撞击位置；当多个离子近乎同时撞击探测器时，第三条延迟线的信号能帮助区分其他两条线的信号，最大限度保证定位准确性。信号处理、记录以及撞击位置与飞行时间的关联，均通过数字化方式完成，可在数据采集期间或后期处理阶段进行。
延迟线探测器
场蒸发机制
金属材料
APT 的核心原理是：强静电场能通过 “场蒸发” 让材料表面原子脱附并电离，这一过程需要达到临界场强（即蒸发场）。场蒸发产生的离子会在电场作用下远离样品表面并加速飞行。
场蒸发本质是热辅助过程，尽管有研究报道存在离子隧穿机制引发的场蒸发，但主流理论认为：脱离样品的离子初始为单电荷态，在飞行初期，一个或多个电子会隧穿回样品，使离子进一步电离。这种 “后电离” 事件的概率，与原子的逐级电离能和电场强度直接相关，因此可通过样品中各元素的电荷态比例，估算电场强度。
图 2c：金属材料中场蒸发离子的后电离过程示意图，展示离子脱离样品后在飞行初期发生电子隧穿回样品、进而形成更高电荷态的过程
非导电材料（半导体与绝缘体）
上述机制基于金属材料研究建立，半导体和绝缘体的场蒸发过程存在明显差异（见专题 1）。最突出的是 “多事件” 比例较高——单次高压或激光脉冲后会探测到多个离子，主要源于两个原因：
一是表面原子场蒸发后，表面电荷会重新排列以维持静电场屏蔽（近期已通过 FIM 成像观察到），这可能导致相邻原子快速场蒸发。这种现象在导电性较差的材料中更明显，可能与载流子密度或迁移率差异有关。例如，热电材料等部分半导体的多事件比例极高，说明材料特性对 APT 实验中化学键的断裂方式影响显著。
二是分子离子比例较高，增加了解离概率。对含大量分子离子和/或多事件的 APT 数据深入分析，能揭示哪些物种更容易同时蒸发，以及分子的解离路径信息。这一问题会影响部分材料的分析，比如碳化物，导致钢中碳的定量分析存在已知难题。这些分析挑战源于材料的表面功能特性（如带隙、低电子有效质量、化学键高非简谐性等），而这些特性可能受强静电场影响。
图 2d：金属与半导体的电场穿透深度对比示意图，左侧为金属（托马斯 – 费米屏蔽长度 <0.1nm，仅表面原子受强电场作用），右侧为半导体（以硅为例，近表面场穿透深度约 2nm），标注半导体的 “能带弯曲效应”，解释两者场蒸发机制差异的根源。
尽管绝缘体和半导体的场蒸发物理机制仍有诸多未知，但已有研究表明，其与金属存在相似性：发射离子的电荷态与电场的依赖关系、分子离子的相对稳定性，均呈现相同趋势，只是定量规律无法直接套用。
已有大量研究报道了场蒸发条件对 APT 分析性能的影响，后续专栏将提供部分优化数据质量的指导原则。
专题 1：非导电材料的场蒸发
场蒸发模型源于金属研究：金属中电场会形成 “屏蔽电场”（托马斯 – 费米屏蔽长度常＜0.1 纳米），仅表面原子受强电场作用。
非导电材料（半导体、绝缘体）则不同：半导体电子数密度低、屏蔽弱，电场穿透深度（如硅近表面约 2 纳米）远大于金属，还会引发能带弯曲效应，绝缘体的这类效应更突出。
高压脉冲 APT 难满足其分析需求，激光脉冲的应用实现了常规分析，但也增加了复杂度 —— 样品尺寸接近激光波长时吸收特性难描述，且半导体场蒸发还涉及载流子扩散、复合等额外因素。
低温可缓解上述问题：温度升高会让原子键断裂延伸至次表面，破坏有序脱附、降低分辨率，还会促进分子离子蒸发。分子离子的表现也有差异：硫族化物等化合物半导体中其探测比例高，硅、锗等单原子半导体中较少；这些亚稳态分子离子发射后可能解离，造成物种损失并降低分辨率。
4 样品制备
APT 对样品的核心要求是：加工成尖端半径约100纳米的细针状——根据简单静电学模型 F=V/(kr)（其中 F 为表面静电场，r 为样品末端半径，V为施加电压，k 为场缩减因子/场因子），k 值通常在2-8之间，施加约10³伏的高压即可达到场蒸发所需的静电场（约10伏 /纳米量级）。
块体材料样品
制备 APT 样品堪称一门 “精细技艺”。在聚焦离子束（FIB）铣削系统出现前，金属样品通常由金属丝或小火柴状坯料制备，通过碱性/酸性溶液电化学抛光（贵金属可用熔盐）加工成针状 —— 将坯料在溶液薄层中移动以逐渐减小横截面，断裂时末端半径通常小于 100 纳米。但这种方法难以靶向特定微观结构特征，只能通过TEM反复观察后，结合脉冲电化学抛光等方式实现。
随着液态金属离子源和SEM/FIB 系统的出现，靶向样品的常规制备成为可能，如今可在单次实验中制备多个位点特异性 APT 样品。
标准制备流程如下：
1. 切割 15-20 μm 长悬臂梁；2. 微操作器与楔形样品连接并取出；3. 样品固定于支撑体并切片；4. 多级环形铣削加工成尖端半径约 100 nm 的针状样品：首先用 FIB 从材料表面切割出 15-20 微米长的悬臂梁；接着通过原位气体注入系统将微操作器与楔形样品连接，切割后取出；然后将楔形样品固定在支撑体（常用微尖端基片或 TEM 半载网）上并切片；最后用 FIB 进行多轮环形铣削（铣削范围逐步缩小），将切片加工成针状，最终末端半径约 100 纳米（取决于目标材料）。
图 3a：基于聚焦离子束（FIB）的块体材料 APT 样品制备标准流程示意图
FIB 通常采用液态镓离子源，基于等离子体的离子源（PFIB）也已取得较多成功应用，相关替代方法和变体可参考其他综述。
对于位点特异性样品制备，可在SEM系统中通过BSE成像、EBSD、ECCI或EDS等技术，识别感兴趣的微观结构特征；还可将APT样品安装在 TEM 载网上，通过 TEM 进一步获取信息。
具体流程为：在 SEM 中识别目标特征，通过电子束或离子束沉积进行标记；提取标记区域，将切片固定在经部分电化学抛光的半载网上；对切片进行锐化处理，确保感兴趣特征位于针尖 200 纳米范围内；采用低加速电压（2-5 千伏）铣削样品，去除高能入射离子造成的材料损伤层。
图 3b：块体材料位点特异性 APT 样品的 TEM 表征辅助流程示意图，展示了从 SEM 标记目标特征、FIB 提取样品到 TEM 观察确认样品结构的完整流程，确保感兴趣特征位于APT 样品针尖 200 nm 范围内
纳米结构样品（纳米颗粒、纳米线等）
对纳米颗粒、纳米线等纳米结构进行 APT 分析，需要专用制备方法，目前已实现的有效方案包括：1.真空环境下将纳米颗粒直接沉积到预锐化样品上；2溶液中电泳沉积 —— 将样品针插入含纳米颗粒的溶液滴中，施加电压脉冲，使带负电的纳米颗粒吸附到带正电的样品针上（沉积层数可通过溶液浓度、脉冲振幅或持续时间控制）。
图 4a展示了第二种方法；
图 4a：纳米颗粒电泳沉积制备 APT 样品的示意图，将样品针插入含带负电纳米颗粒的溶液滴中，通过施加电压脉冲使纳米颗粒吸附到带正电的样品针尖上，沉积层数可通过实验参数调控
图 4b的TEM图像显示，将脉冲电压从5伏提高到7伏（持续 6 秒），样品针上可沉积1-2层纳米颗粒，该方法适用于1-60 纳米的纳米颗粒（受样品针尺寸限制）。
图 4b：不同脉冲电压下纳米颗粒在样品针尖上沉积的 TEM 图像对比，左图为 5 V 脉冲电压（持续 6 s）沉积结果，右图为 7 V 脉冲电压（持续 6 s）沉积结果，显示 7 V 条件下可形成 1-2 层纳米颗粒
图 4c的 APT 分析结果清晰呈现了 8-10 纳米的银原子核心（灰色）和钯壳层（黄色），两种不同核壳厚度的纳米颗粒均成功成像。通过该方法，已成功实现多种纳米结构的分析，但存在产率低、数据质量较差的问题（纳米颗粒与样品针结合不牢固，可能直接脱落）。
图 4c：核壳结构纳米颗粒的 APT 三维重建结果图，灰色区域代表 8-10 nm 的银原子核心，黄色区域代表钯壳层，清晰呈现两种不同核壳厚度的纳米颗粒形貌与成分分布
此外，基于预锐化金属针的类似方法，已成功分析金属多层膜、聚合物薄膜或自组装单分子层等材料。其他制备方案还包括：以平顶硅微尖端、单个样品针或 TEM 半载网为支撑体，通过微操作器或微夹具将单个或团聚的纳米颗粒放置在其表面；
图 4d：以平顶硅微尖端为支撑体的纳米颗粒 APT 样品制备示意图，通过微操作器将单个或团聚的纳米颗粒转移并固定在支撑体表面，后续进行 FIB 锐化处理
纳米线通过生长制备，纳米颗粒通过惰性气体冷凝直接沉积在 APT 适配基片或平面衬底上，随后沉积铬、铂等保护性金属薄膜，提升制备和分析过程中的附着力，避免镓离子束损伤；
图 4e：惰性气体冷凝法制备纳米颗粒 APT 样品的示意图，纳米颗粒通过惰性气体冷凝技术直接沉积在 APT 适配基片上，随后沉积铬 / 铂保护薄膜以增强附着力并避免离子束损伤
也可以将空间分离的纳米颗粒嵌入金属或氧化物基体，再通过传统 FIB 提取法制备样品 —— 将含纳米颗粒的稀释溶液滴涂在平面衬底上，沉积金属薄膜后用 FIB 提取，同时将楔形样品旋转 90 度，使颗粒/衬底界面沿样品主轴排列；
图 4f：纳米颗粒嵌入金属基体的 APT 样品制备流程（溅射沉积法）示意图，将含纳米颗粒的稀释溶液滴涂在衬底上，随后溅射沉积金属薄膜，最后通过 FIB 提取并旋转 90° 使颗粒 – 衬底界面沿样品主轴排列）（该方法已用于分析 SBA-15 负载的二氧化硅颗粒和碳纳米管，但可能在界面形成空隙，影响样品存活率和数据重建
原子层沉积技术可以制备无空隙、高共形薄膜包裹纳米颗粒，完全包裹纳米颗粒以避免后续制备过程中的结构损伤，再进行提取和锐化处理；
图 4g：原子层沉积技术包裹纳米颗粒的示意图，通过原子层沉积制备无空隙、高共形的保护性薄膜（如二氧化硅）
图 4h：原子层沉积包裹后纳米颗粒 APT 样品的 FIB 提取与锐化示意图，展示了将包裹后的纳米颗粒区域提取为楔形样品并加工成针状的过程
电沉积法可以将纳米颗粒嵌入金属基体。该方法适用性广，已用于纳米片、纳米线、纳米棒及纳米颗粒的分析，但电沉积溶液可能与表面敏感的纳米颗粒发生反应，改变其性质。
图 4i 电沉积法将纳米颗粒嵌入金属基体的示意图，将含纳米颗粒的溶液作为电解液，通过电沉积过程使纳米颗粒均匀嵌入金属基体（如镍基体）中。
图 4j 钯纳米颗粒嵌入镍基体的 TEM 图像，清晰显示钯纳米颗粒（深色区域）均匀分布于镍基体（浅色区域）中，且颗粒与基体间无空隙，证明电沉积法的有效性
图 4k 钯纳米颗粒–镍基体复合体系的 APT 三维重建数据集图，通过元素分布映射清晰区分钯纳米颗粒与镍基体，验证了该制备方法在 APT 分析中的适用性
目前，针对不同性质和几何形状的纳米结构样品，尚未建立明确的最优制备方法指南。
5 APT关联分析技术
需注意，APT 分析具有破坏性（测试区域会完全蒸发），因此测试前需通过 TEM 全覆盖能谱、衍射、高分辨成像等表征，为后续分析提供基础数据。
关联分析技术的核心优势是整合多技术特长，提供立体全面的材料信息常规为非原位实验，当前热点聚焦两方向—— 一是对已表征样品开展原位/近原位 APT 分析，二是将其他技术应用于APT 专用样品。
SEM/FIB 系统中，SEM 模块可通过 BSE 成像、EBSD/ECCI 指导位点特异性制备，TKD 技术可获取晶体取向，高分辨 SEM/STEM 可提供样品几何形状及精确结构细节（虽系统分辨率有限）。
TEM 与 APT 关联研究起步较早，传统上为 APT 数据重建提供形貌指导，如今已拓展至捕获目标区域成分及原子级晶体学细节。
TEM/SEM/STEM 与 APT 的关联应用如下图所示（注：APT 分析前，样品需经 2-5 kV 低电压离子铣削，清除电子束损伤及碳沉积以保障准确性）。
图 a：黄铜矿晶界 TKD 分析图。左为 IQ 图（反映晶体结构完整性）；右为彩色取向图（两晶粒 [110] 方向取向差 26.4°，蓝色线标高角度晶界），用于指导 APT 分析位点选择。
图 b：黄铜矿晶界 APT 分析结果图。左为钠（红）、碳（绿）原子三维分布，显示沿晶界共偏析；右为纳米尺度富钠 / 碳聚类（红 / 绿等值面），用于分析偏析对光电性能的影响。
APT 揭示钠、碳沿晶界共偏析及纳米聚类，这类偏析影响局部光电性能，故 APT 测量对建立结构 – 性能关系至关重要。
关于 TEM，图 c展示了从 L1₀有序铁磁 MnAl 合金制备的针状样品的孪晶衍射斑点暗场透射电子显微图，突出显示了孪晶区域；图 d展示了对应的 APT 铝原子分布图和等值面集，二维成分图进一步显示锰在孪晶界的偏聚和孪晶区域外的贫化，这些偏析和孪晶结构有望直接影响局部磁畴结构；
图 c L1₀有序铁磁 MnAl 合金 APT 样品的 TEM 暗场图，基于孪晶衍射斑点成像，深色区域为孪晶结构，清晰标记出孪晶边界位置，为 APT 分析孪晶界偏析提供结构参考
图 d L1₀-MnAl 合金的 APT 分析结果图，左图为铝原子（蓝色）的三维分布，显示孪晶区域与基体的成分差异；右图为锰原子（红色）的等值面，结合二维成分图展示锰在孪晶界的偏聚及在孪晶区域外的贫化，用于关联磁性能与微观结构
最后，图 e展示了蠕变变形钴镍基高温合金针状样品的明场图像，暗衬度表明存在堆垛层错，堆垛层错区域的高分辨率高角环形暗场图像显示，与周围晶格相比，层错处的原子结构发生变化；图 f，显示堆垛层错平面的铝贫化，证实面内扩散机制，展示了对应的钴原子分布图，以及铬在部分位错处偏聚的等值面突出显示的线性缺陷区域，铝的二维元素成分图（原子百分比）进一步显示，沿某一平面存在有限的铝贫化，该平面恰好终止于部分位错处 —— 此平面对应堆垛层错（SF）平面，其化学成分与相关部分位错不同，沿堆垛层错平面的成分剖面表明存在面内扩散机制。
图 e 蠕变变形钴镍基高温合金 APT 样品的 TEM 明场图，暗衬度区域对应堆垛层错结构，插图为堆垛层错区域的高分辨率高角环形暗场（HAADF）图像，显示层错处原子排列与周围晶格的差异
图 f 钴镍基高温合金的 APT 分析结果图，左图为钴原子（蓝色）的三维分布，标记出线性缺陷区域；中图为铬原子（红色）在部分位错处偏聚的等值面；右图为铝元素的二维成分图（原子百分比）
6 仪器设计最新进展
当前全球运行的原子探针以商用仪器为主，CAMECA 公司的 LEAP 系列占据主导地位，EIKOS 系列次之，初创公司 INSPICO 近期也开始商业化生产原子探针。部分研究团队为满足定制化需求或探索新功能（如新型探测器、极端真空度），会自主研发仪器。
自 2015 年推出以来，最先进的商用仪器是 LEAP 5000 系列，其整合了局部电极设计与微米级激光光斑，采用10皮秒近紫外（355 纳米）激光脉冲，能最大限度减少热拖尾效应（这一优势在早期 LEAP 4000 仪器中已得到验证）。该仪器的探测效率（场蒸发后被探测计数的离子比例）可达 80%，高压脉冲重复频率最高 500 千赫兹，激光模式下可达 1 兆赫兹，理论上能实现更快测量，但实际数据采集时间仍取决于材料的蒸发行为和样品几何形状。
由于APT 样品体积小、比表面积大，部分材料还具有反应活性，在空气中转移可能改变成分并影响分析存活率。近年来，全球范围内越来越多的研究聚焦于 “保护性气氛 / 低温条件下的样品制备、转移与操作”—— 这在一定程度上受生物科学领域样品环境控制方法的启发，对液体材料或空气敏感样品（如易与氧气反应的材料）尤为关键，需采用低温真空转移方案。
目前，定制设计或商用（如徕卡、Quorum、Ferrovac）的封闭式可控环境转移系统（称为 “样品箱”）已被改造或研发，用于实现样品从 FIB 到原子探针的可控转移。这些样品箱可达到高真空或超高真空条件，通常能冷却至液氮温度，已成功实现氢/氘掺杂样品、冷冻液体和水合多孔样品的分析。
此外，在样品制备最后阶段或整个提取过程中采用低温冷却，可避免引入杂质、减少损伤或维持样品水合状态。这些方法与关联显微镜的发展相契合，能结合多种技术提供更全面的材料信息，帮助科研人员得出可靠结论。
7 数据处理与结果分析
样品制备和实验设置完成后，需对采集的 APT 原始数据进行提取和处理。原始数据包括：离子撞击探测器的二维空间坐标，以及每个离子的飞行时间。数据处理的核心是 “重建”—— 将原始数据转换为样品的实空间点云，明确每个探测离子的三维位置和化学身份。商用仪器和定制仪器的数据处理流程基本一致。
质谱分析
数据处理的第一步是为每个离子分配化学身份，核心是将 “飞行时间” 转换为 “质荷比”：利用离子的动能（1/2mv²）与势能（neV）的关系 —— 其中 m 是离子质量、v 是速度、n 是电荷数、e 是电子基本电荷、V 是加速电压 —— 可完成这一转换。
通常需要通过校准和校正，修正飞行长度随探测器坐标的变化，随后生成 “质谱图”（直方图），图 5a-b展示了钢样品的质谱示例，每个峰或峰组对应特定类型的离子。
图 5a：钢样品的 APT 质谱图，显示了主要元素（如 Fe、C、N）的离子峰，插图为 14 道尔顿处的局部放大图，展示可能存在的 ¹⁴N⁺与 ²⁸Si²⁺峰重叠现象；图 5b：钢样品质谱图的局部放大图，重点展示了碳相关分子离子（如 ¹²C₂²⁺）和铁氮化合物离子（如⁵⁶Fe¹⁴N）的峰形与分布，用于精确标定各元素及分子离子的化学身份
质谱分析的关键步骤是 “质谱峰标定”—— 为每个峰赋予化学身份：通过定义峰的质荷比上下限，将特定质荷比范围与单一元素或多种元素的组合关联，再通过积分计算峰的离散计数。标定完成后，即可测量成分，每个已识别的离子会被分配一定体积，用于后续三维重建。
APT 的分辨率足以常规分辨单个同位素峰，这种 “区分同位素并定位其在微观结构中位置” 的能力，为特殊研究提供了独特视角 —— 例如古老地质材料的年龄与演化历史、辐照诱导在核反应堆部件微观结构退化中的作用等。
离子通常以1+或2 +电荷态被探测到，部分元素（取决于种类和电场强度）也可能出现更高电荷态。分子离子也较为常见，例如在钢样品质谱图中，可观察到 ¹²C₂²⁺和⁵⁶Fe¹⁴N。多数情况下，同位素的探测比例与天然丰度一致，但生物分馏作用或核反应可能导致例外。
需要注意的是，高电荷态和复杂离子的探测会增加 “峰重叠” 概率 —— 不同类型的离子可能具有相同的质荷比，形成同一个峰。例如 14 道尔顿的峰，可能对应 ¹⁴N⁺或 ²⁸Si²⁺：若该峰仅含硅，则应在 14.5 道尔顿和 15 道尔顿处观察到对应 ²⁹Si²⁺和 ³⁰Si²⁺的相邻峰，且峰高比与天然同位素丰度比一致。这种同位素特征能确保峰身份分配的准确性，同时为估算不同离子物种对同一重叠峰的相对贡献提供依据。
三维重建
与 FIM 类似，APT 是点投影显微镜—— 样品本身充当投影光学元件，无需额外透镜。APT 的典型配置如图 5c所示：离子从半径小于 100 纳米的样品发射，飞行 80-200 毫米后到达直径 35-90 毫米的探测器。离子的飞行轨迹由样品产生的电场决定，会受到静电环境（包括周围仪器）和样品形状的影响：初始轨迹近乎径向，但会向探测器中心弯曲，导致投影图像出现图像压缩现象。值得一提的是，若离子在无场管中飞行，其轨迹与质量、电荷数或电压无关，探测器上的放大倍数约为 10⁶量级。
图 5c：原子探针的点投影成像原理示意图，展示了离子从针尖样品（半径 < 100 nm）发射，经过 80-200 mm 飞行距离后到达探测器（直径 35-90 mm）的轨迹，以及样品作为投影光学元件的工作方式
目前已有多种投影模型能较好地描述发射体表面在探测器上的成像，包括准立体投影和方位等距投影。图 5d展示了用于描述 APT 中离子投影的不同模型结果。这些模型的核心优势是：无需计算每个离子从探测器返回样品的轨迹，可通过近似投影定律将探测器坐标与样品表面的唯一位置关联。尽管准立体投影并非最精确，但应用最广泛，其图像压缩因子与实验相关，取值通常在 1-2 之间。
图 5d：APT 离子投影的不同模型对比示意图，分别展示了准立体投影、方位等距投影及其他投影模型对同一离子发射事件的投影结果，对比了各模型的成像差异
三维原子级成像分为两个关键步骤：第一步是二维位置反向投影，根据离子撞击探测器的坐标，通过反向投影模型 “缩小”，定位回样品中的原始实空间位置。这一步的核心假设是 APT 样品的几何形状始终为 “截锥上的完美半球形帽”，且每个实验时刻的帽半径已知，但实验过程中材料脱附会使样品针尖逐渐变钝，放大倍数并非恒定，因此需要实时估算每个探测事件发生时的样品末端半径 —— 通常通过监测施加电压的变化（基于 R=V/(Fk)），或假设样品形状估算每个离子对尖端变钝的贡献（涉及场强 F、几何场因子 k、样品杆部角度等参数）。
第二步是深度坐标计算，传统算法假设第一个探测离子从半球形表面蒸发，该发射表面的深度会向下移动一个增量，大小与材料晶格中单个原子占据的体积成正比。由于需要分配合理体积，必须在重建点云前通过标定识别每个离子。
实际操作中，每个探测并标定的原子会被分配一定体积（根据探测效率按比例放大），深度增量代表前一个探测原子的体积在探测器视场内样品表面的分布厚度。对于第 i 个探测离子，其 z 坐标是所有先前探测离子深度增量的累积和，与反向投影得到的 z 位置之和，如图 5e。
图 5e APT 三维重建中z坐标计算原理示意图，展示了通过累积前序离子的深度增量（Δz^i）与反向投影 z 位置叠加，确定第i个离子z坐标的过程，体现了样品针尖随场蒸发逐渐变钝对深度计算的影响
校准是确保APT重建空间准确性的关键——需优化重建参数（如图像压缩因子），使重建结果能准确反映样品在多个长度尺度上的已知物理特征，包括重建数据中可获得的晶体学信息（如晶格面）、界面/析出物等微观结构特征（形态已通过关联电子显微镜验证）、APT 实验前后样品的整体形状（通常通过电镜测量）等。原子力显微镜等其他方法也已被用于校准，这些方法各有优缺点，并非适用于所有情况。图 6a 展示了一个重建示例。
图6a首先通过质谱标定确定铝、锆、镁、铜等元素身份，然后基于其中一个晶粒的已知（002）晶面间距构建并校准点云。
数据可视化与分析
APT 重建结果的可视化能直观揭示材料的微观结构特征，例如选择性显示不同元素的原子点，观察其空间分布 —— 图 6b中铬在 γ 相、铝在 γ’ 相的偏聚现象可清晰呈现。
图 6b：镍基高温合金的 APT 元素分布与等值面图，左侧为铬原子（红色）在 γ 相、铝原子（蓝色）在 γ’ 相的偏聚分布，右侧为铝（蓝色）和硼（黄色）的等值面，直观展示不同元素在各相及界面处的分布特征
图 6d 第二相析出物 – 基体界面的邻近直方图（proxigram），横轴为垂直于析出物等值面的距离，纵轴为元素原子分数，插图为 APT 重建中通过等值面分离的析出物区域（红色）与基体区域（灰色），展示了界面附近的成分演化规律
图 6e 固溶体中溶质原子最近邻距离分布对比图，蓝色曲线为实验测量的溶质原子最近邻距离分布，红色曲线为随机分布模型的计算结果，两者差异表明溶质原子存在纳米尺度聚类现象
重建后可进行多种针对性分析，核心基于 APT 的三维原子级重建特性，主要分为以下几类：
基于体素化的方法
体素化是将数据集分割为等体积/原子数的立方体（体素），通过分析体素内容实现可视化与定量分析，核心技术为“等值面分析”——按阈值连接相邻体素（图6b展示了铝和硼的等值面示例）。阈值可选用元素摩尔分数（等浓度面）或原子数密度（等密度面），用户按需选择，二者揭示的特征可能不同，例如点密度变化常对应晶界等无成分变化的微观结构。
调整阈值可界定微观结构界面（如析出物与基体的边界），既能分离目标区域精准分析（如图6d插图所示），又可表征界面及周边化学成分；结合体素浓度频率分布等统计手段，还能识别细微的化学不均匀性。
界面成分演化可通过“邻近直方图”分析，该方法能呈现成分随等值面垂直距离的变化，尤其适合弯曲或封闭界面，可对多个不连续表面做平均测量，还能扩展量化表面偏析的元素超额原子数。体素化还可生成二维地图或三维结果展示浓度波动，采用局部网格替代固定体素，能高效揭示晶界偏析等特征。
基于原子间距离的方法
这类方法通过直接测量原子间距离探究局部环境，核心应用包括三方面：一是最近邻分析，对比溶质原子与第n个近邻的距离分布和随机系统的差异，可揭示纳米尺度聚类等细微波动（图6e）和长程相互作用以推导基体成分；二是径向/对分布函数提取，整合溶质原子的平均三维环境，明确溶质间特定作用；三是溶质聚类表征，主流的“最大分离”算法通过设定距离阈值归并原子形成连通聚类，初始不含溶剂原子，后续可通过“包裹–侵蚀”过程纳入。
聚类识别后可定量其尺寸、成分等特征，生成群体统计结果，需与随机数据集对比以区分非随机聚类与偶然聚类。领域内还开发了基于浓度、高阶近邻距离、高斯混合模型的辅助算法。
两种方法均需重视定量性与可重复性：APT重建存在缺陷，如溶质与基体浓度接近时聚类难区分，蒸发场差异可能导致原子邻近关系破坏；参数选择是主要误差源，对结果影响显著。
目前尚无通用分析标准：部分研究依赖专业知识或统计方法选参数，也有方案利用径向分布函数自动提取聚类特征，无需手动设定参数。
结构分析
部分合金的APT重建结果，能保留原始样品的晶体学信息——表现为数据中特定区域的原子面集，通常与重建发射表面局部切线平行的低密勒指数晶格面投影相关。
领域内已有多种定量提取晶体学数据的方法，核心包括三类：一是直接傅里叶变换，通过对重建体积内原子三维分布做衍射分析，利用体素化倒易空间计算贡献值；原子面集会使倒易空间出现高强度位点，其与中心斑点的距离和实空间原子面间距成反比，该方法可同时表征多组原子面并保留面间角度关系。
二是三维霍夫变换，在实空间搜索所有极角、方位角的平面特征，能提供与傅里叶变换类似的信息，但计算量更大；三是空间分布图（SDMs），通过在每个原子上放置直径约2纳米的球体，复制球内原子构建平均三维原子环境，常用z轴原子偏移直方图（z-SDM，峰间距对应原子面间距）和参考面内二维密度图（xy-SDM）展示，因计算成本高，仅多用于原子面可分辨区域，且其推导原子面角度的应用并不广泛。
“原子探针晶体学”就是利用这类结构信息辅助材料分析，可用于校准断层扫描重建、评估APT空间分辨率。尽管潜力突出，但受限于高计算成本、信息提取与解释多依赖手动操作，该方法尚未普及。
参考资料
Gault, B., Chiaramonti, A., Cojocaru-Mirédin, O.et al. Atom probe tomography. Nat Rev Methods Primers 1, 51 (2021).
