金鉴李工：20张动图，就能秒懂四大电镜原理（SEM, TEM, AFM, STM）

对材料进行显微分析可以得到其组织结构并揭示其基本性质与规律，是材料测试技术的重要环节。对于各类显微分析设备，如SEM,TEM,AFM,STM，材料届朋友们肯定不陌生。近日小编发现了几幅电镜动画，被惊艳到，原来枯燥无味的电镜可以变得这么生动，闲言少叙，下面就和大家一起来分享。

扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜成像是利用细聚焦高能电子束在样品表面激发出各种物理信号，如二次电子、背散射电子等，通过相应的探测器对这些信号进行检测，信号强度和试样表面形貌之间存在着某种对应关系，所以可以把它转换成视频信号对显像管亮度进行调制以获得试样表面形貌图像。

SEM工作图

入射电子与样品中原子的价电子发生非弹性散射作用而损失的那部分能量（30～50eV）激发核外电子脱离原子，能量大于材料逸出功的价电子从样品表面逸出成为真空中的自由电子，此即二次电子。

电子发射图

二次电子探测图

二次电子试样表面状态非常敏感，能有效显示试样表面的微观形貌，分辨率可达5～10nm。

二次电子扫描成像

入射电子到达距核较近处发生反射，而没有能量损失；既有与原子核相互作用产生的弹性背散射电子也有与样品核外电子相互作用产生非弹性背散射电子。

背散射电子探测图

用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。可根据背散射电子像的亮暗程度，判别出相应区域的原子序数的相对大小，由此可对金属及其合金的显微组织进行成分分析。

EBSD成像过程

透射电子显微镜（TEM）

透射电镜就是将经过加速聚焦后的电子束投影在很薄的试样上，电子在试样中与原子发生碰撞，同时改变其方向，形成立体角散射。散射角与试样的密度和厚度有关，这样，就能形成亮暗不一的图像，图像经过放大和聚焦就会呈现于成像器件。

TEM工作图

TEM成像过程

与平行电子束的TEM不同，STEM成像是利用聚集的电子束在样品上扫描完成的，与SEM不同的是探测器置于样品下方，探测器接收透射电子束流或者弹性散射电子束流并将其放大，荧光屏显示明、暗场像。

STEM分析图

入射电子束照射试样表面发生弹性散射，一部分电子所损失能量值是样品中某个元素的特征值，由此获得能量损失谱（EELS），利用EELS可以对薄试样微区元素组成、化学键及电子结构等进行分析。

EELS原理图

原子力显微镜（AFM）

把一根对微弱力极为敏感的微悬臂的一端固定住，而另一端则是一根很小的针，因为针尖尖端原子和样品表面原子之间有着极其弱的力，通过控制扫描过程中这一作用力不变，带针尖微悬臂会沿着与试样表面垂直的方向做起伏移动。测量微悬臂与扫描各点相对应位置的变化可得到试样表面形貌信息。

AFM原理：针尖与表面原子相互作用

AFM的扫描模式有接触模式和非接触模式，接触式利用原子之间的排斥力的变化而产生样品表面轮廓；非接触式利用原子之间的吸引力的变化而产生样品表面轮廓。

接触模式

动态模式

扫描隧道显微镜（STM）

隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的起伏变化信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。

探针

隧道电流对针尖与样品表面之间的距离极为敏感，距离减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。

隧道电流

针尖在样品表面扫描时，即使表面只有原子尺度的起伏，也将通过隧道电流显示出来，再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息处理成为三维图像在屏幕上显示出来。

STM扫描成像图

单原子操纵：利用探针将单个原子抬起离开表面束缚并侧向运动至预设位置，然后将原子由探针重放至表面即可得到原子级别图案。

移动原子作图