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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，图象中每一个亮点都是单个原子的像。
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。
