在眾多的顯微儀器中，最先具備原子解析度的便是場離子顯微 鏡。場離子顯微鏡是在 1951 年由賓州州立大學的E. W. Müller 根據場 發射顯微鏡(Field Emission Microscopy，FEM)改良而來。[27]
2-1 場離子顯微鏡成像原理
E. W. Müller 在 1936 年，在超高真空的腔體內，將針尖施予負高 電壓，電子會因為穿隧效應自針尖表面發射。而發射電子會穿越腔體 內的空間，撞擊前端的螢光屏產生影像，此影像反映了部份的針尖形 貌，此即為場發射顯微鏡。[28]
但因為電子的質量小，使其發射出來側向速度較大，造成場發射 影像未能達到原子解析，難以清晰呈現針尖表面的原子排列，造成較 為模糊的「場發射影像」如圖 2-1-1 所示
圖 2-1-1 相同針尖樣品所造成的(a)場發射影像 (b)場離子影像[20]
為了提高成像的解析度，E. W. Müller 改變場發射顯微鏡的設 計，在針尖上改成正高電壓，並使樣品降溫和通入氫氣作為成像氣
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利用 Wentzel-Kramer-Brillouin (WKB)可計算穿隧出此一位障的 機率為：
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2-3 場退吸附與場蒸發機制
據前節所說明的場離子化機制，在針尖上加正高電壓，便有機 會將成像氣體原子游離化。若持續將正電壓加高，將會使得前節談到 的場吸附氣體原子，因為在針尖上的外加電場，而抬升電子位能使其 大於針尖表面的費米能階，而達到場吸附氣體原子的離子化，此即稱 為「場退吸附」。
同一層成像氣體原子，若沒有改變外加電場，其與針尖金屬表面 的距離 X 相同，將具有相同的電子位能；但若持續加高電壓，則如圖 2-3-1(a)(b)所示，針尖電場 F 逐漸增加，將會使得電子位能提高，而 使吸附原子離子化，造成「場退吸附」的發生。
圖 2-3-1 (a)吸附氣體的電子位能，小於針尖原子的費米能階 (b)吸附氣體的電子位能，大於針尖原子的費米能階[29]
場蒸發(field evaporation)和場退吸附的主要差異在於游離對象 的不同，場退吸附是游離吸附在基底上的其它原子，場蒸發則是游離 基底原子。
透過場蒸發逐層拔除基底原子，探究樣品內部原子堆疊結構及排
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列方式，是場離子顯微鏡的實驗分析中，極為重要的工具，但其缺點 就是可能使針尖樣品變鈍、破壞原有結構甚至斷針；而利用場退吸附，
則可以清除在基底表面上無關雜質原子，讓樣品表面更加清潔。
E.W.Müller 提出可將場蒸發過程，視作金屬原子的熱活化過程。
若考慮在沒有外加電場的情況，讓基底金屬原子成為 n+離子，所需的 能量為：
Q
0
iI
i n
em；其中
為金屬原子脫離晶格所需的 脫離能，Ii為第 i 個電子所需的游離能，n
em為游離 n 個電子進入金 屬表面所獲得的能量。圖 2-3-2 將場蒸發視作金屬原子克服位障的熱活化過程
若考慮有外加電場的情況，則所需的能量為：
0
32 12n F Q ne F
Q
其中
ne 32 F12為外加電場與映像電荷的電位能疊加後，於鞍點處的 縮減值，如圖 2-3-2 所示。由上式可得外加電場的加入，會降低熱活22
化過程所需的能量，可使場蒸發較易發生。另一方面，由於 Q0會隨不 同的基底而不同，所以研究不同的樣品和吸附原子，其場蒸發難易程 度也不盡相同。
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2-4 場離子影像說明
樣品針尖的表面，其上存在許多不同指向的密勒指數面。由前 所述，而成像氣體吸附在這些不同的切面上，在適當的條件下被離子 化之後，將會沿著空間的場線至前方的螢光屏成像，即可獲得場離子 影像。
而所得的場離子影像是將三維的晶體表面經投影而形成的二維 影像投影圖。所以判斷影像上的切面時，必須搭配電腦模擬圖或立體 投影圖，以了解各切面在經過投影轉換後，在平面上的圖像各有什麼 特徵，而可以辨認出正確的切面。
本實驗所研究的樣品為鉬(molybdenum)，其晶體結構各為體心 立方結構(bcc)。對照體心立方結構的電腦模擬圖和立體投影圖，如 圖 2-4-1 所示。可以找出各切面間的相對位置。例如一個{111}切面 周圍有三對稱的{211}切面及三對稱的{110}切面、一個{110}切面周 圍會有四個{211}切面、兩個{110}切面中間會夾著一個{211}切面、
一個{111}切面和一個{100}切面分別與一個{110}切面的連線，則會 互相垂直。
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(a)
(b)
圖 2-4-1(a)體心立方結構的電腦模擬圖 (b)體心立方結構的立體投影圖
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圖 2-4-2 鉬針尖樣品的場離子影像
圖 2-4-2 為鉬的場離子影像。經由多次實驗的觀察判斷，掌握到各切 面的特徵如下：
1.{110}切面最容易辨識。因為它的面積最大，影像為同心圓、原子 排列屬於二維最密堆積。
2.{211}切面是面積第二大的切面。影像為一排排間距相等，宛如「通 道」的原子列。
3.{111}切面相較{110}、{211}切面，其面積較小，原子排列也較為 鬆散，在影像中呈現特殊的正六邊形。
4.{100}切面的排列整齊，並呈現正方形的樣貌。
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