圖三、典型鎢針的氦場離子影像圖
圖四、自行組裝之場離子顯微儀
一、一種表面原子的拓印技術 如果我們想要全盤掌握某一物件的表面形貌，一種既古老又簡單，但卻又十分可靠的方法便是利用「表面拓印」技術。以碑拓為例，碑拓除了要有一乾淨的碑體本身之外，還需要有適量的介質（如墨水），這介質要除了要能完美呈現碑體形貌，還不能對碑體有任何不良影響;此外我們還需要有適當的成像工具（如宣紙），這工具足以忠實地記錄所有碑體細節，而不渲染。
自從原子模型被提出後，雖然有許多方法可以從旁驗證原子與晶體模型，但仍有許許多多的科學家前仆後繼，希望有朝一日能以更直接的方法看到原子晶體結構。基於這簡單的夢想，場離子顯微術，在1951年由Erwin W. Muller教授所發明，隨即在1955年首次能向世人展現鎢等耐熱金屬的表面原子影像。至於它的成像原理，與拓印原理相似的是兩者都必須先把成像介質完美的覆在試片表面上，並以之成像；而與拓印原理稍有不同的是，場離子顯微儀必須利用極高的電場將吸附在試片表面的成像氣體分子陽離子化，使帶電的氣體離子能受電場加速，撞擊約十公分遠的螢光屏進而產生影像。所以在螢光屏上一個個的亮點正正反映出試片表面一顆一顆的原子結構。當然原子影像太小（～A），這也是為何我們必須藉由增加離子飛行距離至約十公分，使原子影像大小能放大至肉眼可見的地步（～mm）。
這種顯微術的發明使人類第一次能直接觀測到表面原子的晶體結構，也證實原來我們也可以利用這種簡單的拓印概念來一窺晶體的原子排列，一圓人類想「看到原子影像」的夢想。直到五十年後的今日為止，雖然陸陸續續有新的具有原子級解析度的顯微術被發明（如掃描穿隧顯微儀），但場離子顯微術仍是單一原子或團簇(cluster)在表面的動態行為研究的最佳利器，也是目前唯一能對指定單一原子（或分子）作化學分析的顯微技術。
至於如何能得到一張完美的「原子拓印圖」呢？就好像如何把魚拓或碑拓拓好一般，需要滿足一些簡單的基本要求。首先為了能避免其它吸附物質的污染，超高真空腔體是一個必要的條件。其次我們需要選用一種適當且適量的成像介質，平鋪在我們所想要觀測的試片表面上。為了避免成像介質與所想觀察的表面產生化學反應而影響到正確的觀測，明顯地，惰性氣體是一個不錯的選擇。此外，過少的成像氣體其成像能力不足，過多又容易造成成像離子束與氣體分子間相互碰撞而影響解析度。一般而言，我們多把成像惰性氣體的分壓控制在約10-5～10-4 torr之間。為了能得到一夠大的正電場將表面的成像氣體陽離子化，通常會將試片做成針狀，如此只需要幾千伏的高壓便足以將氣體分子離子化。而這被陽離子化的氣體分子也會因受到電場的加速作用而撞擊至接地螢光屏。當然，我們也會將試片降至低溫，以減少吸附其上的氣體分子的橫向運動，讓它能更完美的反映出試片表面高低起伏。整個場離子顯微儀的構造簡圖如圖二所示，而鎢針尖端表面的場離子投影圖則如圖三所示，如同拓印一般，只有位在邊緣或突起處的原子，由於吸附其上氣體分子承受較大的場，才能被清楚的印相下來。圖四則是目前本實驗室由鄭天佐院士所自行設計組裝的場離子顯微儀，雖然其構造複雜許多，但其基本原理並無二致。
| |
|
圖三、典型鎢針的氦場離子影像圖 | 圖四、自行組裝之場離子顯微儀 |