PDF《原子探针的发展及其对金属内界面的研究 3》

3 国家自然科学基金资助项目 收到 实验技术 原子探针的发展及其对金属内界面的研究

3 朱逢吾 职任涛 张瑗北京科技大学材料物理系 北京 摘要简要介绍了原子探针 特别是三维原子探针 ? ° 的最新发展及其特点 ? ° 在探测到单 个原子位置的同时能鉴别其种类 因而几乎能以原子分辨力显示出材料中大部分原子在实空间中的三 维分布 文章举例说明了常规 ° 和?°在研究金属内界面中的应用 关键词 三维原子探针 金属内界面 原子分辨力 ΔΕ? ΕΛΟΠΜΕΝΤ ΟΦ ΤΗΕ ΑΤΟ Μ ΠΡ ΟΒΕ ΑΝΔ ΙΤΣ ΑΠΠΛΙΧΑΤΙΟΝ ΤΟ ΙΝΤΕΡΦΑΧΕ ΣΤΥΔΙΕΣ ΟΦ ΜΕΤΑΛΛΙΧ ΜΑΤΕΡΙΑΛΣ ∏? ∏ ≠∏ ( Δεπαρ τμεντ οφ Ματερ ιαλ σ Πηψ σ ιχσ, Υνι? ερ σ ιτψ οφ Σχιενχε ανδ Τεχηνολ ογψοφ Βει? ινγ , Βει? ινγ ) Αβσ τραχτ √ ? ° ∏

2 √ ? ° ∏ ∏ ∏ ° √ ? °

2 Κεψ ωορδσ ? ° ∏ 原子探针的最新发展 ∏ 等人在 年建立了第一台原子 探针 ° 简称 ° ≈ 至今已有 年 历史 ° 可以鉴别试样表面单个原子的种类 因此人们最初用原子探针 场离子显微镜 °? 研究有关表面的一些基本问题 例如表面原子排列 !表面吸附和表面扩散等 取 得了不少有意义的结果≈ 目前 °? 在这 方面的研究仍很活跃 金属物理学家发现 可用 °? 解决金 属材料研究中的不少关键问题 年代初 世 界上有几个研究组开始应用 °? 在原子和 纳米尺度研究合金的微结构 取得不少用其他 方法难以得到的丰硕成果 涉及的主要内容有 晶体缺陷 相变初期动力学 包括形核长大型相 变和失稳分解 微量元素在晶界和相界的偏聚 以及相变过程中相界面附近元素的分布等 较 详细的介绍和更多的文献资料可参阅文献≈ 与此同时 人们也在不断提高 ° 的性能 和扩大它的功能 年°等设计制造了 # # 物理 成像原子探针 ° 可以得到试样表面各种 元素的面分布 年∏提出在常规 ° 中附 加一个能量补偿透镜把质量分辨力?μ / μ 由常规 ° 的约 提高到 以上 发展了能量补偿 ° ∞≤ ° 年 等设计了脉冲激光 ° ° ° 利用脉冲激光 蒸发试样来研究低导电率的半导体材料 但最 具重要意义的是三维 ° ? ° 的发展 常规 ° 和?°常规 ° 能逐个地鉴别单个原子的种类 但只能获得原子在一个方向 深度方向 的位置 信息 失去了其他两个方向的位置信息 年≤等人应用位置灵敏探测器 能以很高 的精度同时测定单个原子的种类和位置≈ 是 第一台可称为 ? ° 的设备 这种仪器的缺点 是某一瞬间只能记录一个事件 因此场蒸发速 率必须很低 以确保每个电脉冲最多只产生一 个离子 年√等人设计了平行多极 探测系统 可同时探测多个离子 探测效率大大 提高 图和分别为常规 ° 和√等设计的 ? ° 原理示意图 高压电脉冲使试 样表面的原子蒸发变为离子 对带有离子反射 型能量补偿装置的 一维 °≈图 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 ° 只能确定探测到的离子是从试 样最表层蒸发而来 无法确定该离子原来在表 面层上的位置 当第一层蒸发完后 记录第二层 现为第一层 蒸发出来的离子 因此常规 ° 只能确定离子沿深度方向的 ζ 坐标 精确到一 个原子面间距 但失去了离子在表面层位置 ξ , ψ 坐标 的信息 由于离子的飞行时间较 长 故常规 ° 的质量分辨力较高 √ 等设计的 ? °≈ 把探测器移到 紧靠荧光屏后 并将其分为 ? 个平 行的互相独立的小探测器≈图 每个小探 测器均可独立测定到达离子的飞行时间 仪器 的放大倍数由针尖和荧光屏间的距离决定 调 整放大倍数 使得试样表面相邻原子蒸发出来 到达探测器时 正好落在相邻的两个小探测器 上 逐原子层蒸发试样 ? ° 可记录下试样中 约??小体积中多数原子的 空间位置和种类 并将这些约数百万至上千万 个数据储存在计算机中 通过画图工作站可画 出实空间中元素分布的三维图像 人们可以根 据需要从中取出有关的信息 图 原子探针原理示意图 带有离子反射型能量补偿装置的常规 ° 应用位置灵敏探测器的 ? ° 由于飞行距离较短且未采用能量补偿装置 √ 等设计的 ? ° 的质量分辨力较低 难 以分辨质 荷比相近的元素 ≤ 等≈ 采用宽 接受角的反射型能量补偿装置 提高了 ? ° 的##卷年期质量分辨力 制造出能量补偿位置灵敏探针 ∞≤° ≥ ° 的原型 如果能把探测器的效率提高 到 目前不到 从原则上讲 有可能 把到达探测器的每个原子的位置和种类记录下 来 并由计算机重构出原子排列的三维图像 不 过应当指出 由于原子在点阵上的热振动以及晶 体缺陷的存在 离子飞行轨道会产生一定偏差 理论分析表明 这种偏差不大于