三維原子探針，英文簡稱3DAP，也稱為原子探針斷層分析/原子探針層析成像（APT），是一種具有原子級別空間分辨率的測量分析技術(shù)。三維原子探針通過不同元素原子分析，重構(gòu)樣品表面、界面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米空間內(nèi)不同元素原子的三維分布圖形以及含量，在樣品化學(xué)成分分布均勻性分析方面具有不可替代性。

三維原子探針的工作原理是，對針形樣品施加高壓，由于曲率半徑小，針尖處會產(chǎn)生高靜電場，使表面原子電離蒸發(fā)，沿著外加直流電場運動至位置敏感探測器，獲得其原始位置信息，利用飛行時間質(zhì)譜檢測，可獲得離子種類信息，從而重構(gòu)離子在樣品中的三維分布。

原子探針是一種定量顯微分析儀器，三維原子探針在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來，于20世紀90年代中期進入市場。三維原子探針具有高靈敏度、高分辨率特征，特別適合研究納米尺度的微小結(jié)構(gòu)以及各種內(nèi)界面，觀察材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、元素偏聚行為，獲得樣品的三維圖像信息，實現(xiàn)組分確定、定量分析。

三維原子探針是目前唯一能夠在原子尺度上進行三維化學(xué)成分精確測量的儀器，是目前最微觀的高分析精度的定量分析技術(shù)，可以觀察、分析沉淀相析出、非晶態(tài)向晶體轉(zhuǎn)變過程原子擴散、晶體生長過程晶核形成、材料不同相元素分布、界面溶質(zhì)原子偏聚、溶質(zhì)原子偏聚形成的柯氏氣團等，能夠應(yīng)用于金屬材料、半導(dǎo)體材料、生物材料等研究領(lǐng)域。

三維原子探針屬于精密儀器，技術(shù)壁壘高，研制難度大，在全球范圍內(nèi)，法國CAMECA公司（2007年被美國AMETEK公司收購）是最具代表性生產(chǎn)企業(yè)，處于壟斷地位。我國以及海外其他國家的科研機構(gòu)、高校采購的基本都是CAMECA公司三維原子探針，產(chǎn)品價格高昂且使用成本高。

我國科學(xué)技術(shù)不斷進步，新材料研究步伐加快，市場對納米尺度元素三維分布、定量分析精度要求不斷提高，三維原子探針需求不斷增加。在此背景下，我國政府對三維原子探針自主研發(fā)生產(chǎn)極為重視，2023年度國家重點研發(fā)計劃“基礎(chǔ)科研條件與重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)”重點專項中提出，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、核心部件國產(chǎn)化的同步輻射高能X射線耦合三維原子探針，有望推動我國三維原子探針研制實力不斷提高。