三维原子探针，英文简称3DAP，也称为原子探针断层分析/原子探针层析成像（APT），是一种具有原子级别空间分辨率的测量分析技术。三维原子探针通过不同元素原子分析，重构样品表面、界面等复杂结构纳米空间内不同元素原子的三维分布图形以及含量，在样品化学成分分布均匀性分析方面具有不可替代性。

三维原子探针的工作原理是，对针形样品施加高压，由于曲率半径小，针尖处会产生高静电场，使表面原子电离蒸发，沿着外加直流电场运动至位置敏感探测器，获得其原始位置信息，利用飞行时间质谱检测，可获得离子种类信息，从而重构离子在样品中的三维分布。

原子探针是一种定量显微分析仪器，三维原子探针在其基础上发展而来，于20世纪90年代中期进入市场。三维原子探针具有高灵敏度、高分辨率特征，特别适合研究纳米尺度的微小结构以及各种内界面，观察材料内部微观结构、元素偏聚行为，获得样品的三维图像信息，实现组分确定、定量分析。

三维原子探针是目前唯一能够在原子尺度上进行三维化学成分精确测量的仪器，是目前最微观的高分析精度的定量分析技术，可以观察、分析沉淀相析出、非晶态向晶体转变过程原子扩散、晶体生长过程晶核形成、材料不同相元素分布、界面溶质原子偏聚、溶质原子偏聚形成的柯氏气团等，能够应用于金属材料、半导体材料、生物材料等研究领域。

三维原子探针属于精密仪器，技术壁垒高，研制难度大，在全球范围内，法国CAMECA公司（2007年被美国AMETEK公司收购）是最具代表性生产企业，处于垄断地位。我国以及海外其他国家的科研机构、高校采购的基本都是CAMECA公司三维原子探针，产品价格高昂且使用成本高。

我国科学技术不断进步，新材料研究步伐加快，市场对纳米尺度元素三维分布、定量分析精度要求不断提高，三维原子探针需求不断增加。在此背景下，我国政府对三维原子探针自主研发生产极为重视，2023年度国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项中提出，开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的同步辐射高能X射线耦合三维原子探针，有望推动我国三维原子探针研制实力不断提高。