悉尼大學陳翊升團隊Nano Today: 冷凍三維原子探針最新綜述

近年來，冷凍三維原子探針(Cryogenic Atom Probe Tomography或cryo-APT)這種創新的表征技術在材料科學領域中數度取得重要進展，發表在《Science》、《Science Advances》、《Nature Communications》以及《Acta Materialia》等材料頂刊上，這些突破主要來自于開發了一系列可以成功達到冷凍條件的樣品制備技術，其中包括基于2017年諾貝爾化學獎冷凍電鏡樣品制備技術而研發的冷凍轉移技術(cryogenic sample transfer或cryo-transfer)以及冷凍聚焦離子束(cryogenic focused ion beam或cryo-FIB)。近日，在cryo-APT技術上領先全球的悉尼大學的陳翊升(Yi-Sheng Chen)博士在納米材料領域的頂級綜述期刊Nano Today (IF > 16)上，以” Cryo Atom Probe: Freezing atoms in place for 3D mapping”發表了cryo-APT的同行審查的評論論文(Opinion)。本文回顧其中最重要的幾項創新，并且簡介了這些創新實驗技術可能帶來的科學進展。

圖一?cryo-APT的關鍵樣品制備技術

(A) 用來隔絕水氣的冷凍樣品手套箱

(B) 沒有用手套箱將造成會大氣當中的水氣在冷凍樣品表面結冰而破壞APT的針狀樣品條件

(C) Cryo-FIB取樣(lift-out)的方法示意圖，此方法運用了FIB切削材料過程中因樣品低溫而引起的材料回黏(redeposition)來達到lift-out樣品黏接，此方法是開發用來取代了本來利用白金或碳的電子束沉積法(electron beam deposition)，因帶有白金或碳的氣體無法在冷凍樣品上選區沉積

(D) 再次運用redeposition將Cryo-FIB lift-out后的樣品黏接在APT樣品臺上的方法示意圖

(E) 利用新型冷凍等離子體聚焦離子束?(Cryogenic plasma FIB或Cryo-PFIB)的另一種Cryo-APT針狀樣品制備方法，由于PFIB的切削速度較傳統的FIB快很多，因此不需要lift-out而可以直接在一塊材料上把針狀樣品以外的周圍材料(納米孔洞化后的金/Nano-porous gold或NPG)切掉

(F) Cryo-PFIB方法最終得到的針狀cryo-APT樣品(結冰的重水D₂O)

圖二?Cryo-APT的關鍵成果

(A) 運用Cryo-APT來觀察鋼鐵當中的氫原子(紅色信號)分布在含碳位錯(藍色信號)上，此成果是鋼鐵氫脆領域中最重要的突破之一，發表在2020年1月的《Science》上

(B) 運用Cryo-APT與Cryo-FIB lift-out技術來表征玻璃與腐蝕媒介堿水接口的三維成分分布，下方綠色區域是含鈣的玻璃區域，上方紫色區域是含鋰與鈉的冷凍堿水(alkaline water)，其中上方堿水區域可以透過成分分析來區分出鋰與鈉的富集區域，此結果運用圖一(C)和(D)的方法證明了Cryo-APT + Cryo-FIB可以用來分析這種含水樣品內部的化學成分分布，此結果發表在2018年11月的《Ultramicroscopy》上

(C) 運用Cryo-APT以及Cryo-PFIB技術來表征被重水(D₂O)包覆的銀碎片(灰色區域)，此結果運用了圖一(E)和(F)的方法證明了這方法可以用來分析以水來包覆的納米樣品，此結果證明了這個表征手段未來可被應用在生物樣品制備與表征上，此結果發表在2020年12月的《Science Advances》上

作者簡介

陳翊升(Yi-Sheng Chen)本碩畢業于新竹清華大學材料系，2018年博士畢業于英國牛津大學材料系，目前在澳洲悉尼大學(The University of Sydney)的機械學院擔任Lecturer。在博士畢業3年內陳博士已爭取到近2千萬人民幣的科研經費，在APT與氫能領域是世界知名的年輕學者。

原文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013221000323

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