材料的显微分析是一项揭示材料内部结构、探索其基本特性和规律的重要技术手段，常常被应用于材料科学的研究和质量检测中。在众多显微分析工具中，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）等设备，都是大家熟知的重要工具。最近，笔者在观看一些电镜成像的动画时，深受震撼，发现传统的电镜图像竟然可以如此生动有趣。接下来，我们就一起来看看这些精彩的显微分析成像技术是如何工作的。
扫描电子显微镜（SEM）
扫描电子显微镜（SEM）是一种利用聚焦电子束扫描样品表面，通过激发出不同类型的物理信号（如二次电子和背散射电子）来获得样品表面形貌图像的设备。电子束与样品表面相互作用时，会激发出一系列的信号，这些信号的强弱反映了样品表面的微观结构特征，通过信号转换成信号后，最终形成清晰的图像。
SEM成像原理
当电子束照样品表面时，与样品中原子的价电子发生非弹性散射，部分电子失去能量（大约30至50电子伏特），这些能量损失的电子会从样品表面逸出，成为二次电子。这些二次电子是非常敏感的，能够有效显示样品表面的微小结构，分辨率高达5到10纳米。
二次电子成像
二次电子的探测图像对样品表面的细节表现尤为敏感。通过这种成像方法，我们可以非常清楚地看到样品表面微观结构的细节，如表面裂纹、粗糙度等。
背散射电子成像
当电子束碰撞到样品时，有一部分电子发生了弹性散射，它们从样品表面反射回来。背散射电子的探测图像相较于二次电子成像，分辨率较低，但它在材料成分分析中具有重要作用。通过分析背散射电子图像的亮暗程度，可以推测样品中不同区域的原子序数差异，从而对金属及其合金的显微和成分进行详细分析。
透射电子显微镜（TEM）
透射电子显微镜（TEM）通过将加速并聚焦的电子束射向样品的薄片，使电子与样品中的原子发生碰撞，进而产生散射。这种散射角度的变化与样品的密度和厚度相关，通过观察不同的明暗影像，可以深入了解样品的微观结构。
TEM成像过程
TEM的工作原理和扫描电镜有所不同，它是利用一束平行的电子束穿透薄样品后，在探测器上形成明场像和暗场像。这些图像的强度与样品的厚度、密度以及原子的排列情况紧密相关。
STEM成像
扫描透射电子显微镜（STEM）与传统的TEM不同，它使用聚焦的电子束扫描样品表面来成像。在STEM中，探测器放置在样品下方，用以接收透射或弹性散射的电子信号。通过分析这些信号，可以得到更精确的材料内部结构信息。
EELS分析
STEM还可以与能量损失谱（EELS）技术结合使用。EELS技术通过测量电子束与样品相互作用后损失的能量来分析样品的元素成分、化学键合状态以及电子结构。这一技术为材料科学提供了强有力的分析工具，尤其在研究样品的微观结构和元素分布时，能够提供更细致的信息。
在材料科学的研究和应用中，显微分析技术发挥着至关重要的作用。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜等设备，我们可以观察到材料的细微结构，了解其基本成分和性能表现，为新材料的设计和现有材料的改进提供了科学依据。这些技术的不断进步，也使得我们能够在微观世界中窥见更加精细的细节，从而推动科技的发展。