圖 2-1-1 相同針尖的(a)場發射影像 (b)場離子影像[37]
場離子顯微鏡的工作環境為超高真空(約 10-8Pa)，工作時會利用 冷凍機使樣品溫度降至約 20K，並在針尖加入正高壓及通入約 10-3Pa 的惰性氣體(例如：氖氣)，此時成像氣體會吸附在針尖表面，並具有 平均動能為：
2 1 αF2+
2 3 kT
α 為成像氣體的極化率 F 為外加電場強度 k 為波茲曼常數 T 為成像氣體的溫度
在針尖表面的成像氣體會不斷地進行彈性碰撞，並藉由一次又一 次的碰撞，使得氣體動能被表面吸收，用以調節成像氣體溫度，達到
(a) (b)
lim0 i r
2-2 場離子化的機制
氣體分子中的電子透過量子穿隧效應而游離，此即為「場離子 化」，最早在 1928 年為 Oppenheimer 所探討，他應用量子穿隧效應的 概念計算出，在外加電場的影響下，氫氣中的電子可以穿透位障，使 得氫原子失去電子形成正離子，而後 Müller 更將此現象應用於 FIM，
並實驗驗證。
氣體原子在未受到外加電場影響前為自由原子，自由原子之電子 受原子核束縛，被侷限在位能井中，如圖 2-2-1，若要使自由原子轉 為陽離子，則需提供大於 I 之游離能，才能使電子從位能井中激發出 來。
圖 2-2-1 電子受原子核束縛於位能井中。[40]
若將此自由原子放於電場中，電子受到電場作用，位能井會縮 減、彎曲，如圖 2-2-2(a)，直到電場大到使縮減後的位能井寬度與電 子的德布羅伊波長相近時，電子才有機會穿隧出位能井，利用
Wentzel-Kramer-Brillouin(WKB)可計算出穿隧機率為：
原子離子化。
圖 2-2-3 場離子化過程[40]
2-3 場退吸附與場蒸發
依前節所述，外加電場會提升電子位能，使氣體原子失去電子而 被游離，當外加電壓持續升高時，電子位能被抬升高於費米能階，此 時吸附在針尖表面的氣體原子，便會被離子化。如圖 2-3-1(a)為吸附 一顆氣體原子時，其電子位能受外加電場影響抬升，但是尚未高於費 米能階，圖 2-3-1(b)為將針尖電壓加至更高，電子位能被抬升至高於 費米能階，使吸附氣體游離，此即稱為「場退吸附」。
圖 2-3-1(a)吸附氣體的電子位能，小於基底原子之費米能階。
(b)吸附氣體的電子位能，大於基底原子之費米能階。[40]
場蒸發與場退吸附最大的差別，在於游離的對象不同，前者游離 基底原子，後者則是游離吸附氣體。場蒸發能逐層拔除基底原子，使 內部基底結構能顯露而被探究，這也是場離子顯微鏡最具特色研究方 法，但在拔除基底原子的同時，可能也會使得針尖變鈍、破壞原有結 構；而使用場退吸附，則是可以清除針尖表面的雜質，使得影像更為
eFx
eFx
0 i i em
2-4 場離子影像說明
進行實驗時辨別影像之指數切面是很重要的步驟，樣品針尖表面 可視為一半圓球體的發射面，其上存在許多不同指向之密勒指數面，
由於場離子影像為三維晶體表面投影成二維影像圖，因此早期使用硬 球模型，模擬場離子影像可能看到的晶體切面，所幸隨著科技日新月 異，站在巨人肩上的我們，可以便利的使用立體投影圖來精確地判斷 針尖的指數面，如圖 2-4-1、2-4-2。
圖 2-4-1 面心立方各指數面立體投影圖[40]
圖 2-4-2 面心立方結構的電腦模擬圖[41]
本實驗所使用的針尖材料為銥(Iridium)與鉑(Platinum)，其晶體結 構為面心立方結構(fcc)，可由切面之相對位置、大小、特性、對稱性，
與立體投影圖相互對照找出切面：
1. 銥(100)切面：此切面為面心立方結構之第二大切面，為四對稱結 構，通常與兩個(311)切面夾 90 度角，且於較小的成像電壓，可 在其面中央看到四顆指向(311)原子，呈十字形，如圖 2-4-3，可
沿此通道面找到(111)切面。
2. 銥(111)切面：此切面為三對稱結構其平衡晶形為正六角形，是面 心立方結構排列最緊密之切面。
3. 銥(n11)切面：n=0、2、3、4……等，此為一排排的通道面，其一 排排原子間距相等且排列緊密，宛如通道。
圖 2-4-3 銥(100)切面上指向(311)切面成十字排列原子。
本實驗所使用的另一材料為鈷，其晶體結構為六角最密堆積 (hcp)，其判斷方式與銥、鉑類似，利用電腦模擬圖相互對照，找出 切面，但鈷針錯面較為嚴重，因此先找最大的(0001)切面，再去比對 其他切面，如圖 2-4-5。此外，鈷針與銥、鉑兩種材料最大差異為，
(311)
(311)
此密勒指數為四碼(hkil)，比三碼(hkl)多一 i 項，此轉換為 i= -(h+k)，
因此若將四碼與三碼相互對照，以下表表示：
(hkil)
(0001)(hkl)
(001)表 2-4-1 四碼指數面與三碼指數面對照表。
圖 2-4-4 六角最密堆積結構的電腦模擬圖[41]，紅框可與圖 2-4-5 相對照。
2-5 表面皺化機制
晶體表面存有各種切面，切面上的原子排列方式不同，因此其表 面自由能也不同，對樣品進行加熱，提供表面原子移動所需的能量，
使原子重新排列成總表面自由能最低的型態，遵循下列關係式：
其中， ：總表面自由能 ：(hkl)切面的面積
：(hkl)切面的單位面積的表面自由能
因此，為使總表面自由能達到最低，表面自由能較低的切面會擴 大面積，擠壓著表面自由能較高的切面，此過程造成晶體表面產生皺 化(faceting)的行為[42]。而金屬塊材表面若鋪覆特定金屬薄膜或氣 體，將會增大其表面能異向性，使皺化更加劇烈並降低皺化所需的溫 度[30]。