在真空技術中，依壓力的高低區分為：壓力 760 ~ 1 torr 的粗略真 空（Rough Vacuum）、1 ~ 10-3 torr 的中度真空（Medium Vacuum）、
10-3 ~ 10-7 torr 的高真空（High Vacuum）、以及壓力低於 10-7 torr 的超 高真空（Ultra-High Vacuum）。場離子顯微鏡須在 10-10 torr 的超高真 空環境(UHV)下操作，超高真空的環境才能使成像氣體在電場的加速 過程中，不受雜質氣體干擾，得到具有原子解析度的成像。
場 離 子 顯 微 鏡 的 超 高 真 空 環 境 是 藉 由 渦 輪 分 子 幫 浦 (turbo-molecular pump)搭配旋轉式機械幫浦(mechanical rotary pump) 的使用，輔以每四小時作用一次的鈦昇華幫浦(titanium sublimation pump)，再加上烘烤(bake)的過程，來達到超高真空。若欲使真空度 更好，可再搭配離子幫浦使用，此時真空度約可到達10-10 torr。而在 實驗的過程中，另外再使用液態氮製造一個低溫吸附幫浦，提升真空 度，讓成像氣體的純度更高，並保持樣品的清潔。
以下簡單介紹場離子顯微鏡使用的幫浦 [29]：
A. 旋轉式機械幫浦（Mechanical Rotary Pump）
前級幫浦，或稱為粗抽幫浦，可由大氣啟動，工作壓力範圍約 760 torr ～ 10-3 torr。在抽氣的過程中，必須將氣體壓縮，因此造成
氣室中的許多水氣凝結，隨著氣室內的壓力逐漸降低，水滴不易排 出，將造成抽氣效率下降，故一般會設計增加一個氣穩閥（Gas Ballast）
的裝置，透過這個裝置，可以由外部引入適當的氣體，防止氣體液化。
B. 渦輪分子幫浦（Turbo Molecular Pump）
中級幫浦，動力式幫浦（Kinetic Pump），藉由動力的傳遞，使氣 體獲得向外排出的能力。渦輪分子幫浦的工作原理是，當氣體處於「分 子流」狀態時（即氣體分子密度較低，分子的平均自由徑遠大於幫浦 的特徵長度，此時氣體分子與器壁碰撞機率遠大於分子間碰撞機 率），利用高速旋轉的葉片將動量傳遞給氣體分子，使其獲得一個額 外的動量而朝出口處排出，產生抽氣作用。
由於渦輪分子幫浦需要氣體分子流，且葉片極容易損壞，故渦 輪分子幫浦不可由大氣啟動，與大氣之間一定要接前級幫浦，一般 壓力必須到 10-3 torr 才能啟動，且一定要有冷卻水或是風扇來冷卻，
以防止其過熱而損壞。渦輪分子幫浦工作範圍為10-3～10-10 torr。
C. 離子幫浦（Ion Pump）
離子幫浦的工作原理是，利用兩片鈦板作為陰極板，再以不鏽鋼 管作為陽極，此時因陰極與陽極間具有高電位差，自由電子會被陽極 吸引而往陽極運動，在運動過程中碰撞腔體中的氣體分子，使其電離 化（ionization），且為了增加其碰撞氣體機會，一般會外加一磁場，
使電子路徑呈現螺旋狀；其中，氣體正電離子加速往陰極（鈦）撞擊，
陰極的鈦被撞出後，會在機體內表面形成鈦膜，這層鈦膜一方面與氣 體分子產生固體化合物，一方面掩埋氣體分子，進而達到抽氣的效 果。由於離子幫浦須先將氣體電離化，再與氣體離子化合，故其對惰 性氣體的效果不明顯。離子幫浦屬於消耗式，若發現其效率相當低 時，便須烘烤鈦板，達到清潔效果，或更換鈦板。工作壓力範圍約 10-4～10-12 torr，但為了延長離子幫浦的壽命，一般建議在 10-8 torr 以 下才使用。
D. 鈦昇華幫浦（Titanium Sublimate Pump；TSP）
同屬於儲氣式的幫浦，為一輔助性的幫補。鈦昇華幫浦利用鈦與 氣體分子化合，增加其被渦輪分子幫浦抽走的效率，進而降低腔體的 壓力，所以對於活性大的氣體分子（如 H2、O2或是 CO），鈦昇華幫 浦的工作效率很高，但若腔體內的氣體活性較小，如惰性氣體，則鈦 昇華幫浦的效率不佳。鈦昇華幫浦對氫氣的抽氣效果最好，主要是因 為鈦非常容易與氫化合，除了增加其被渦輪分子幫浦抽走的效率，也 可加速其埋入離子幫浦之中。另一方面，鈦燈絲所昇華的鈦，在離子 幫浦啟用的狀態下，也可對離子幫浦上的鈦板進行鈦元素補充，可增 加離子幫浦的壽命，並減少清潔或更換鈦板的頻率，可說是一舉兩 得。鈦昇華幫浦的工作壓力範圍可於 10-4 ～ 10-12 torr，但在高真空
以上的抽氣效率比較好，多半在10-7 torr 之下才啟用。
E. 低溫吸附幫浦
在實驗降溫至 20 K 前，我們利用液態氮來製造一個低溫環境，
先將雜質吸附在此低溫環境，藉以提高真空度，直到實驗完成，待冷 頭及針回溫高於液態氮溫度（約 100 K），才將液態氮製成的低溫吸 附幫浦移開。
F. 真空壓力計
此外，為了解腔體中壓力的大小與真空度的好壞，必須使用真空 壓力計，也可判讀腔體是否漏氣。我們使用的真空計為離子真空計
（Ionization Gauge），是間接測量壓力的真空計，用於高真空度以上 範圍（壓力小於10-3 torr）。離子真空計的作用原理是，在高真空環境 中，氣體分子的平均自由徑（mean free path）變得非常大，若能使真 空中剩餘的氣體分子游離，去量測氣體分子所形成的離子電流，可由 氣體離子化之比例估算出剩餘氣體分子的數量，進而推導出真空壓力 的大小。
離子真空計依照其電子電流產生方式不同，一般分成兩類，一類 是熱陰極式（Hot-cathode），另一類是冷陰極式（Cold-cathode），我 們使用的是熱陰極式，與冷陰極式最大的不同在於熱陰極式真空計是
子，再撞擊氣體分子使其離子化。由分子離子化比例估算出剩餘的氣 體分子。
3-2-2 成像系統
成像系統 成像系統 成像系統
A. 低溫裝置為了降低成像氣體受熱擾動所產生的橫向速度，以及增加原子解 析度，我們盡可能降低樣品的溫度。本實驗中，利用循環式氦氣冷凍 機，藉由樣品座上導熱性極佳的沙凡與冷凍機的冷頭緊緊地接觸，將 樣品溫度降至約20 K 左右的低溫。因沙凡與冷頭的接觸是藉由樣品 座及摺箱上壓緊的彈簧，如圖 3.12 所示，故非降溫時須鬆開彈簧，
避免彈性疲乏。
圖3.12 裝載樣品的針座和冷頭接觸的示意圖。
彈簧
彈簧 沙凡
冷頭 良好的熱接觸
B. 成像氣體
實驗進行時，我們通入成像氣體至 10-5 torr 左右，讓成像氣體透 過「場離子化」來顯示樣品表面原子的排列及位置。不同的成像氣體 能達到的解析度也有差異，一般常用的氣體中，屬氦的解析度最好，
因它原子半徑小、游離能大、溫度調節快等優點。但並非所有的系統 都能使用氦作為成像氣體。一般來說，選擇適當的成像氣體還須多考 慮一項因素，即成像氣體的最佳成像電場不可大於表面原子場蒸發所 需的電場，否則在看到螢光屏上的亮點時，此處的原子已場蒸發。因 此在鉑上鍍鈷的系統中，由於鈷的觀察電場值與氖氣的最佳成像電場 值 相當 ， 故 我 們 選 擇 氦 氖 各 半 來 作 為 成 像 氣 體 ， 即 先 放 氦 氣 至 1×10-5 torr，再放氖氣至 2×10-5 torr。各氣體最佳成像電場值及金屬觀 察電場值如表3.1 [30]。另外，為了純化成像氣體，我們還加裝了氣 體擴散器，其裝置如圖 3.13，大部分的氣體無法通過 Vycor 玻璃球管，
但加熱的玻璃管，其孔隙增大，使小分子的氦氣與氖氣可擴散通過，
可將成像氣體的純度提高兩級。
氣體
C. 光電倍增板 3.14(a)，每一個小隧道直徑約 10~100 µm，當離子進入圓形隧道，碰 撞外加高電壓的孔壁，因而觸發電子的發射，射出的電子又再一次的 撞擊孔壁，經過多次的碰撞產生大量電子，如圖 3.14(b)，藉此裝置 放大訊號至約一萬倍，足以在撞擊螢幕時形成清楚影像。對於不同的 入射粒子，光電倍增板需要不同的工作電壓才能呈現較好的偵測效 率。
MCP Cross Section MCP Cross Section
- 高電壓高電壓高電壓高電壓 +
D. 高壓電源
在場離子顯微鏡的裝置中，有三個部份須加高電壓，如圖 3.15 所示：樣品加正高電壓，以達到高電場，一般為 2～10 kV；光電倍 增板的工作電壓為－850 V；螢光屏則加 3500 V 的正高電壓，使光電 倍增板射出的電子加速打到螢光屏上。
圖3.15 高壓電源裝置圖。
E. 影像紀錄
場離子顯微鏡的研究結果來自於影像的分析，我們利用快門較長 的數位單眼相機來記錄影像，使用電腦擷取影像後，再加以分析。
＋2~10 kV
－850 V
＋3500 V
3-2-3 其他裝置
其他裝置 其他裝置 其他裝置
A. 蒸鍍裝置將金屬線材纏繞成燈絲狀，通入電流加熱燈絲，使金屬熱昇華，
蒸鍍到樣品表面上。此外，燈絲旁須加裝鉭片，防止鍍源蒸鍍至 MCP，造成 MCP 損壞。
B. 脈衝加熱器
脈衝加熱器可在相當短的時間內(約 0.5 秒內)加熱樣品達到指定 溫度，可加熱至約700 K，並且變換功率，使樣品穩定維持實驗所指 定的溫度。藉由脈衝加熱器，可準確得知樣品的加熱溫度。
另外，樣品的加熱退火、清潔、鍍源釋氣等部分，可使用一般的 直流電源供應器處理即可。
C. 殘餘氣體分析儀
殘餘氣體分析儀可針對實驗所需要的真空環境進行各項氣體的 分壓檢測，由此檢測腔體是否漏氣。其工作方式是利用質譜儀原理，
先產生熱電子撞擊氣體分子，使分子游離，帶正電的氣體離子受到平 行電板所形成的電場作用，而產生偏折；因為各種氣體分子質量不 同，故有不同的軌跡半徑，由此得知殘餘在腔體內的氣體種類。
本實驗裝置所使用的分析儀為四極式質譜儀（Quadrupole type
構為四支長圓柱電極，形成一個孔道，如圖 3.16。當沿 x 軸射出的正 離子進入此孔道時，受到系統所形成的電場作用產生振盪，振盪方向 與飛行方向垂直。若正離子振盪的振幅大至中央孔道的半徑，即被四 個電極吸收；而振幅小於孔道半徑的正離子可穿過四極振盪系統，被 離子收集器吸收(由法拉第杯組成；Faraday cup)，形成正離子電流。
此四極式質譜儀解析度高，因此廣泛地被使用。
此外，圖3.17 為檢測結果的殘氣分析圖，橫軸為氣體分子量，縱 軸為其對應的分壓。圖中分壓較高的是真空腔中較易殘留的四種氣 體：H2、H2O、CO 及 CO2，若腔體中 H2、CO 及 CO2較多，可增加 鈦昇華幫浦使用的頻率；H2O 較多時，則須加強烘烤腔體。
此外，圖3.17 為檢測結果的殘氣分析圖，橫軸為氣體分子量，縱 軸為其對應的分壓。圖中分壓較高的是真空腔中較易殘留的四種氣 體：H2、H2O、CO 及 CO2，若腔體中 H2、CO 及 CO2較多，可增加 鈦昇華幫浦使用的頻率；H2O 較多時，則須加強烘烤腔體。