更新时间：2023-04-01 22:23
场离子显微镜是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。只是要用FIM看像，样品得先处理成针状，针的末端曲率半径约在200-1000埃。工作时首先将容器抽到1.33×10-6Pa的真空度，然后通入压力约1.33×10-1Pa的成像气体例如惰性气体氦。在样品加上足够高的电压时，气体原子发生极化和电离，荧光屏上即可显示尖端表层原子的清晰图像，图像中每一个亮点都是单个原子的像。
场离子显微镜与通常的高分辨率电子显微镜性质不同，它成像时不使用磁或静电透镜，是由所谓成像气体的“场电离”过程来完成的。
实验时,镜体内保持超高真空（10Torr以下）。用电解腐蚀法制成的针状样品（其尖端曲率半径小于1000）装于镜体内并被冷却到78K以下，然后通入成像气体He或Ne(10～10Torr)。当样品加上高电场(约4V/)后，由于热运动而射到样品针尖的成像气体原子会因受电场的诱导而极化并吸附于针尖表面的各个晶面的突出原子的上方。随后,更多的成像气体原子射到针尖表面,它们在表面上几经跳跃并由于能量交换而逐渐被减速，最后它们中的一些停留在表面的突出原子处被极化了的成像气体原子的上方，它们因电子隧道效应而被电离（“场电离”）。电离后的成像气体离子再次受电场加速而沿电场线飞向阴极一侧，中间经过电子倍增沟道板，由离子变成倍率很高的电子，然后投射到荧光屏，映出与样品针尖表面的原子相对应的，倍率为10～10的原子放大像。
1967年，E.W.弥勒又设计出一种所谓“原子探针场离子显微镜”（Atom Probe FIM，简称APFIM）,它是由场离子显微镜(FIM)与飞行时间(TOF)质谱仪组成的一种联合分析装置APFIM的优点在于它不仅能观察表面单个原子的行为，而且通过脉冲高压使表面原子“场蒸发”的办法,将被观察的原子逐个进行“剥离”,并对其作质量分析，确定它的质量数。从而研究从表面到体内各个原子面上原子排列的三维状态以及不同元素原子的分布。这就使 FIM的研究进入了一个新的定量化的阶段。APFIM已有多种型式。常见的有飞行时间型(直线型和静电偏转型)、磁场偏转型以及直接成像型等。最近,为解决导电性较差的半导体和缘体材料对瞬时脉冲“场蒸发”的困难，已发展出一种新的脉冲激光型APFIM,并已显出它的广阔应用前景。
FIM以及APFIM不仅可用于观察固体表面原子的排列，研究各种晶体缺陷（空位、位错以及晶界等），而且利用场蒸发还能观察从表面到体内的原子的三维分布状况。早期的FIM研究，主要着重于金属表面的结构缺陷,合金的晶界，偏析以及有序－无序相变和辐照损伤等。已逐步扩展到表面吸附、表面扩散、表面原子相互作用以及由温度或电场诱导的各种表面超结构的研究。由于APFIM的出现，各种FIM研究都已进入定量化阶段。
场离子显微镜的原理包含：量子力学中电子的穿隧效应及基本电学中导体表面电场与导体表面曲率有正相关关系〔即以相同的电压加于相同的导体上，曲率愈大（愈尖的）其产生的电场愈高〕等原理。在针尖状的金属或导体样品上，加上很高的正电压，造成强大的正电场；反之若加很高的负电压产生负电场，将造成电子发射，称为“场发射显微镜”，也是由穆勒首创。
当气体分子靠近此金属或导体样品表面时，此强大的正电场改变了气体原子中电荷的分布，气体分子被极化而受电场吸引向针尖飞去。当气体分子相当靠近此具有高电场的导体表面时，气体分子中电子的位能势垒因受导体表面电场的影响而变形，当此位能势垒宽度渐渐变窄，气体分子中最外层电子可以有机会穿隧而出至导体样品表面时，此气体分子即离化成“气体离子”。因为此气体离子与该导体表面所具有的正电场彼此互相排斥，所以气体离子会沿着此电场的方向飞离。当此离化现象大量发生时，这些气体离子所造成的离子流会沿着表面电场向外辐射状射出，撞上不远处所置的荧光屏。荧光屏上明暗的分布，代表着离子流的大小，也即导体样品表面上电场的强弱分布；而这些强弱不同的电场是由于导体表面上不同的曲率所造成，在同一平面上只有原子的形状可以造成这些不同曲率的现象。所以萤光屏上明暗的分布，也就是表面上原子形状的放大。一般我们以钝气（氦、氖、氩）作成像气体。故此仪器观察的是表面上原子一颗颗排列的结构，所以是原子尺度的显微镜。
在20世纪50年代开创的场离子显微镜及其有关技术，是一种原子直接成像方法，能清晰地显示样品表层的原子排列和缺陷，并在此基础上进一步发展到利用原子探针鉴定其中单个原子的元素类别。
场离子显微镜技术的主要优点在于表面原子的直接成像。但是由于参与成像的原子数量有限，因而场离子显微镜只能研究在大块样品内分布均匀和密度较高的结构细节，否则观察到某一现象的几率有限。此外在成像场强作用下，样品经受着极高的应力，可能使样品发生组织结构的变化，如位错形核或重新排列、产生高密度的假象空位或形变孪晶，甚至引起样品的崩裂。
认识FIM
FIM(Field Ion Microscope)是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。只是要用FIM看像，样品得先处理成针状，可不是粗针、细针都行喔，针的末端曲率半径约在200~1000埃。(1埃 = 10-10公尺)把样品置于真空极佳的空间中，藉由和低温物的接触将其温度降到液态氮的温度以下。在空间中放入成像气体，可能为He、Ne、Ar等气体，视不同样品而定。等以上这些看像的事前工作都准备好，我们才加给样品正高压使附着在样品上的成像气体解离成带正电的阳离子，带正电的气体离子接着被电场加速射出，打到接收器讯号被放大，以电子射到荧光屏幕，我们就能在屏幕上看到一颗一颗的原子亮点。
FIM的演进
FIM是1956年Erwin W. Mueller发明。由FEM(Field Emission Microscope)发展来的。FEM的样品同样也针状，在真空的环境中成像，不过样品上我们加的是负的高压，样品达到足够的负高压时，会放出电子打到荧光幕产生亮点，而这个亮点代表的并非一颗原子，是样品上一片区域，这个区域电子在同样的负高压作用下都会射出电子。因为电子在横向上 (和样品表面平行的方向) 速度分量造成绕射的情况，使得FEM的分辨率只能达到20到25埃(要看到原子分辨率至少要小于1埃)。加了成像气体用正高压使其解离成阳离子，并被加速射到屏幕，成像气体比电子重，而且在低温的情况下，其横向速度分量小多了，提高了分辨率，FIM便如此产生了！在此最初的FIM之后，有人对影像明暗对比、真空情况、样品冷却处理等方面渐渐改善。
其它的原子解析显微镜
到了1970年，又有新的看得到原子的显微镜出现，SEM(Scanning Electron Microscope)只是它只能看到重原子，1983年又有STM(Scanning tunneling Microscope)此种显微镜的样品便不再只限制成针状，可用来看像的样品范围更大了。另外还有TEM，样品要切成一片很薄的膜，技术上比较困难，而且会将样品结构破坏，价钱亦较昂贵。虽说原子解析技术不再被FIM独占，能有与多的研究或实验需要靠FIM才能做，像是单独原子，或单一原子团在特定的表面之原子运动过程。这些可都一定少不了FIM的！
场离子显微术的发展包括：表面原子显像原理、冷场发射高分辨原子探针及表面原子扩散运动学等研究。这样原理相同但功能不同的机器共有五部。其中有两部是原始的场发射及场离子显微镜，而两部新的雷射原子探针则刚装成。之后，那三部老机器也都改头换面，成为更新、功能更强的仪器，做出最近的表面原子扩散的新结果。
所以场离子显微术而增强及发挥其功能，成为非常有力的表面科学研究工具。人们对物质表面的兴趣最早是由化学中表面催化效应来的。所谓的表面，其实多半谈的是气体、液体、固体三者彼此之间的“介面”。在此介面上有许多物理或化学的现象会发生，许多不同的变化至今仍有待我们做研究去了解。表面科学的研究多数是研究固体的表面，并以形成晶体的固体为主，因物质界以形成固体者占多数，而非晶型的固体较无次序，比较难找出适当的规律去了解。所以到表面科学的研究，集中在晶型固体的表面，及其与气体或其他固体之间的交互作用。
因为晶体的表面是其内部晶格周期性的中断，不参与键结的电子形成特殊的能带或轨域，也提高了表面的自由能，使其较不稳定具有较大的活性。表面藉着表面原子的重行排列（或简称「重构」）来降低其自由能，使其稳定而形成与内部晶格结构不同的表面构造。此外也因与吸附其上的原子或分子，容易与其产生化学反应而形成化合物，而有氧化、还原及催化等现象发生。所以表面上因温度、压力或气体浓度有了变化，会引起动力学或热力学中的一些现象，如吸附（adsorption）、脱附（desorption）、扩散（diffusion）、分凝（segregation）、融熔（melting）、变粗糙（roughening）等，与基本物理现象如表面张力、表面晶格振动、受力变形的应力、张力等，皆会造成结构或组成的改变。因此研究表面科学的仪器，皆用以观察物质表面的结构（原子或电子）、组成及其变化。