金屬中的自由電子在特定條件下可以發射出來，若用金屬構成陰極並做成極細的針尖狀（曲率半徑為10-4～10-6釐米），在超高真空中(1.3×10-7帕以下)施以數千伏電壓，金屬屬中的電子即可從陰極冷金屬中發射，這種發射電子的方法稱為場發射。由於金屬的不同晶面發射電子的能力不同，當金屬表面上吸附有其他物質時，也使電子發射能力有變化，因而由熒光屏上觀察到的圖樣會有不同。場發射顯微鏡電子投影圖的圖樣（圖1）
鎢尖端電子發射圖樣
和強度反映瞭表面電場強度和局部電子脫出功（與表面原子的性質、排列方式、表面上有無吸附層以及吸附質的性質等有關）所決定的電流分佈，因而用場發射顯微鏡可以研究電子脫出功的大小和
化學吸附。
若在場發射顯微鏡管中充以10-3～10-4托中性氣體分子，以金屬尖端為陽極，當施以高電壓時，吸附在金屬尖上的氣體將以離子狀態發射出來，在熒光屏上可看到場離子發射圖樣。由於離子的質量遠比電子大，故發射路線直，使得場發射顯微鏡分辨能力很高，可直接觀察到表面原子的排列（圖2）。
銥尖端場離子顯微鏡圖樣