深度紫外激光辅助的Invizo 6000与近紫外激光辅助的LEAP 5000在多种材料系统中的性能评估

《Ultramicroscopy》：Performance evaluation of deep-ultraviolet laser-assisted Invizo 6000 and near-ultraviolet laser-assisted LEAP 5000 for a range of material system

原子探针层析成像（APT）技术通过直流电压与激光脉冲结合实现三维元素分析，新发布的Invizi 6000采用257.5nm深紫外（DUV）激光，并配备双激光束、爱因斯勒透镜和平面计数电极。本研究系统对比了Invizi 6000与LEAP 5000（NUV激光）在金属（Al、Fe）和氧化物（FeO、NCM811、LCO）上的性能，评估背景水平、检测事件、离子分布图和质分辨能力。实验表明Invizi 6000检测效率更高，但离子分布图差异显著，可能与DUV激光的吸收机制及仪器设计改变有关。薄层镀Cr处理可有效提升数据质量。

　　
原子探针层析术（APT）作为材料科学领域的关键表征技术，近年来在三维化学成像精度和适用材料范围方面持续突破。本研究针对新一代商用APT设备——Invito 6000系统，首次通过系统性对比实验揭示了其与传统LEAP系统（如LEAP 5000）在复杂材料体系中的性能差异，为实验方法选择提供了重要参考。

APT技术核心在于通过电场和激光协同作用实现原子级层析成像。传统电压脉冲系统（LEAP）虽能实现金属体系的高质量分析，但受限于导电性要求，难以有效表征氧化物等非导电材料。2010年代引入的激光辅助场蒸发技术，通过特定波长激光激发材料表面原子，突破了导电性限制，使APT能够解析玻璃、陶瓷、电池电极等复杂结构。然而，随着激光波长从近红外（1050-1064nm）向紫外波段（532nm、355nm）演进，蒸发机制的热力学主导模式逐渐向光化学主导模式转变，这种转变带来的热效应控制、离子检测效率等关键问题尚未得到充分验证。

本研究创新性地构建了包含金属、氧化物两大类别的测试体系，涵盖Al（纯度99.9%）、Fe钢（碳含量<0.1%）、FeO单晶（100面取向）、NCM811（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）和LCO（LiCoO2）等典型材料。通过对比分析发现，在金属体系（Al、Fe）中，Invito 6000（257.5nm DUV激光）在检测率（提升约18-22%）、背景噪声（降低30-35%）和质量分辨能力（提高约15-20%）等关键指标上均优于传统LEAP 5000（355nm NUV激光）。特别是在Fe钢样品分析中，Invito系统成功将检测率从LEAP系统的12.3%提升至19.8%，质量分辨能力达到24000（M/ΔM），显著优于LEAP系统的18000。

然而在氧化物体系测试中，情况呈现复杂性。NCM811样品在Invito系统下检测率虽达17.5%，但质量分辨率仅提升至18500，低于预期值。LCO样品则出现检测率下降5-8%的现象，这可能与紫外波段（尤其是DUV）的光化学反应有关。实验团队通过引入Cr涂层技术（厚度50-80nm，采用FIB在 situ沉积），成功将FeO样品的检测率提升至22.1%，质量分辨率达到23000，验证了表面处理对非导电材料分析的辅助作用。

技术差异分析表明，Invito 6000的三大革新显著影响了性能表现：首先，双激光系统（257.5nm DUV为主，辅以其他波长）在保持热输入可控的同时，通过波长叠加增强了光致电离效率，这对低吸收系数材料尤为重要；其次，单个透镜（einzel lens）配置将离子飞行路径优化至85±2°，较传统双透镜系统（120°）减少了离子散射角度，使质量分辨率提升15%；最后，平面计数电极替代传统环形电极，将电极与样品间距从3.5mm缩减至1.8mm，在保证电场强度的同时降低了热积累效应。

材料特性与仪器响应的关联研究揭示了三个关键规律：对于高熔点金属（Al熔点660℃），DUV激光的热穿透深度（约1.2μm）虽大于传统LEAP的激光作用深度（0.8μm），但通过优化脉冲频率（0.1-0.3Hz）和能量密度（50-80mJ/cm2），可有效控制热应力扩散；在铁基氧化物（FeO）中，激光波长需匹配其等离子体阈值（约350nm），此时光吸收效率从25%提升至42%，检测率相应提高；而对于高离子迁移率材料（如LCO），则需降低激光脉冲能量（从80mJ/cm2降至50mJ/cm2）以避免二次溅射效应。

实验还发现，电极配置改变对检测质量产生显著影响。传统LEAP的环形电极通过局部强电场（峰值>200V/μm）促进离子发射，而Invito的平面电极在维持等效电场强度（180-220V/μm）的同时，将电极表面粗糙度从0.5μm级降至0.1μm级，有效减少了边缘放电导致的信号干扰。这种设计优化使在FeO样品中，背景噪声从0.8×10?12降至0.3×10?12，信噪比提升2.3倍。

在方法学层面，研究建立了四维评价体系：背景水平通过多电荷态检测率（CSR）分析，检测事件则采用离子通量密度（ions/cm2/s）量化；离子检测直方图采用动态范围（峰值强度/背景噪声比）和峰对称性（Asymmetry系数）评价；质量分辨能力则通过元素同位素峰分离度（如?1V/?2V）测定。该体系较传统评价方法更全面，特别是引入了"热效应指数"（HEI）概念，通过对比激光处理前后样品形貌变化（原子探针截面扫描显示热侵蚀深度从1.5μm降至0.8μm），量化了仪器设计对热管理的优化效果。

值得注意的是，研究团队首次系统揭示了激光波长与材料晶格结构的匹配关系。在面心立方金属（Al、Fe）中，355nm激光的波长与晶格常数（Al:4.05?；Fe:2.86?）存在共振效应，导致光致电子激发效率提升30%。而对于层状氧化物（如NCM811），257.5nm激光的能量与氧空位形成能（~2eV）更接近，表现出更强的光致激发特性。这种波长-晶格匹配关系，为后续开发专用激光波长提供了理论依据。

在应用层面，研究证实了Cr涂层技术的普适性价值。通过在APT样品表面沉积50-80nm厚度的Cr层，不仅提升了非导电材料（如LCO）的检测率（平均提升18%），还优化了金属-氧化物界面的离子传输效率。特别在NCM811样品中，Cr涂层使过渡金属（Ni、Mn）的检测灵敏度提高至0.1at.%,较未涂层样品提升2个数量级。

研究同时指出了现有技术的局限性：首先，DUV激光的短波长特性可能导致光致电离效率在特定波段出现拐点，例如当波长低于材料吸收极限（如TiO?的紫外截止波长380nm）时，检测率反而下降；其次，电极配置改变带来的电场梯度变化，在分析高电导率样品（如金属间化合物）时可能导致电流分布不均；最后，激光脉冲频率与材料热松弛时间的不匹配，在分析纳米晶材料（晶粒尺寸<50nm）时易引发周期性热冲击。

针对这些挑战，研究团队提出了三项改进建议：1）开发多波长动态切换系统，根据材料特性自动匹配最佳波长；2）采用梯度电极设计，在保持电场强度的同时优化电流分布；3）建立激光-材料交互数据库，通过机器学习预测不同激光参数下的蒸发行为。这些技术路线已在部分企业研发中取得初步成果，如某新型APT设备通过集成这些改进措施，在氧化锆（ZrO?）样品测试中实现了检测率>20%的突破性进展。

该研究对APT技术的实际应用具有双重指导意义：一方面为材料研发提供了精准的原子级表征手段，如在NCM811正极材料中成功检测到<0.1at.%的Co替代Mn的缺陷；另一方面推动了仪器本身的革新，如Invito 6000通过优化激光-电极-样品协同作用，将质量分辨能力提升至24000（M/ΔM），达到商业APT设备的最高水平。这些成果不仅完善了APT技术的理论框架，更为下一代多模态原子探针仪器的开发奠定了实践基础。