经过近百年的发展，电子显微镜广泛地应用于固体物理、表面化学、纳米科学、精密材料、生物医学、地球科学等微观世界研究的方方面面。尤其对于从事材料研究的朋友，大家对四大电镜想必都不陌生。SEM、TEM、AFM、STM等，这些枯燥的设备，我们熟悉的同时却又无比陌生。那么请跟随这20张动态图，领略枯燥无味电镜的生动之处！
扫描电子显微镜（SEM）
扫描电镜利用聚焦电子束在样品表面激发各种物理信号进行成像，如二次电子、背散射电子等，通过相应的探测器进行探测并完成信号到图像的数据转换，信号的强度与样品表面形貌或元素分布等有一定的对应关系。
SEM工作图
电子发射图
二次电子探测图
二次电子扫描成像
在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子叫做二次电子。二次电子能量较低，通常在样品表面5-10nm深度范围内发出，并且其对形貌十分敏感。
背散射电子探测图
背散射电子是被固体样品中的原子反弹回来的一部分入射电子。其中包括弹性背散射电子（原子核反弹）和非弹性背散射电子（核外电子反弹）。弹性背散射电子能量很高，有相当部分接近入射电子能量 。其来自样品表层几百纳米的深度范围，其产率随样品元素的原子序数增大而增多。在得到形貌信息的同时，可根据背散射电子像的亮暗程度，得到原子序数衬度信息，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
测定材料晶体结构及晶体取向的传统方法主要是X射线衍射（宏观统计学信息）和透射电镜中的电子衍射（微区晶体结构及取向分析），电子背散射衍射分析（EBSD）可以在观察样品显微组织结构的同时，获得晶体学数据。
透射电子显微镜（TEM）
透射电镜是把经电磁透镜加速和聚焦的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞，而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此，可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件上显示出来。
TEM工作图
TEM成像过程
STEM分析图
STEM成像不同于平行电子束的TEM，它是利用聚集的电子束在样品上扫描来完成的，与SEM不同之处在于探测器置于试样下方，探测器接收透射电子束流或弹性散射电子束流，经放大后在荧光屏上显示出明场像和暗场像。
EELS原理图
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。
原子力显微镜（AFM）
将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将在垂直于样品的表面方向起伏运动。测出微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。它不仅可以获得形貌信息，还可以获得表面的力学、电磁学信息。
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）
AFM不仅可以探测导体表面微观结构，而且可以探测绝缘体表面结构。但STM只可以针对导体进行分析，它利用隧道电流强度的变化，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
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
值得关注的是，STM不仅可以在原子尺度进行形貌表征，它更为神奇的功能在于通过单原子操纵从而实现微纳尺度的加工。它可以利用探针把单个原子从表面提起而脱离表面束缚，横向移动到预定位置，再把原子从探针重新释放到表面上，可以获得原子级别的图案。
移动原子作图
我国科学家在1993年首次利用真空扫描隧道显微镜技术，在一块晶体硅的表面直接移动硅原子，写下了“中国”二字！
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