物质微观结构分析的基本逻辑
1. 微观结构的重要性
材料专业最关心的自然是材料的利用价值。材料的利用价值可以用材料的性能指标来衡量。而材料的性能由微观结构所决定。所以材料微观结构的探究对材料专业来说，十分重要。即微观结构的探究本质上是原因的探究。
2. 如何探究微观结构
如何探究微观结构。首先要了解什么是微观结构？微观结构本质上是组成材料或物质的微观粒子的空间分布、能量分布、动量或角动量分布以及能量与动量或角动量的关系。也就是说，探究微观结构就是探究这些“分布”，最基本的原理就是利用能与这些微观粒子相互作用的波，如电磁波（光）或物质波（电子与中子），基于能量守恒与动量或角动量守恒等物理守恒定律，来探讨这些“分布”。例如，相互作用后，“波”的能量变化多少，说明与之相互作用的微观粒子有多少能量；动量或者说波矢变化了多少，说明其微观粒子有多少动量。
从另外一个角度来讲，物质微观结构包含以下三大内容：1）元素分析，包括元素的种类、含量和化学环境；2）物相分析或者说晶体结构分析；3）形貌观察，包括表面和内部形貌。要探究这些内容，首先要找到与物质中微观粒子相互作用的波或微观粒子。最常用的是电磁波。首先讨论X射线，它能量很大，因而物质结构分析的能力也很强大。
3. X射线光电子能谱（XPS，元素分析）
X射线进入物质中，最容易与电子相互作用（因原子核对X射线来说太重了）。与之相互作用的最强后果就是被吸收。因能量很大，通常最容易与能量最低的内层电子发生强相互作用而被吸收，能量传递给这些内层电子后，这些电子获得强大能量而获得自由。测得这些因吸收光的能量而获得自由的电子（因此称为光电子）的动能，由能量守恒定律的公式（E_B=hν-E_F-A-ϕ）而算得这些光电子原所在轨道的结合能。因结合能大小有元素特征性，因而可根据结合能的值（即光电子峰位置）来进行元素定性分析。而光电子的强度（即光电子峰高度）与元素含量有关，所以据此可进行元素定量分析。因结合能值的变化与对于元素的化学环境有关，因此可根据光电子峰的位移进行元素的化学环境分析。
4. X射线衍射谱（XRD，物相分析）
X射线进入物质若没有电子被吸收，则会被电子散射，散射程度的大小用X射线散射前后的波矢变化来衡量（波矢的变化量称为散射矢量）。如波矢长度没有变化（即能量没有变化），称为弹性散射；若波矢长度有变化，称为非弹性散射。弹性散射强度沿不同散射方向的分布与物质中各不同原子的空间排布有关，据此可进行物相分析（因为不同原子的不同空间排布特征 形成不同物相）。对于晶体，则可能在某个散射方向有突出的强度分布，意味着原子对X射线的散射波在该方向上发生强烈干涉（衍射峰），这就是晶体衍射现象。晶体衍射的条件就是，X射线散射前后 其波矢的变化，或者说，散射矢量，等于 某晶面的倒易矢量。倒易矢量大小的倒数就是晶面间距（因而又称原子面排列的空间频率），晶面间距具有物相特征，据此可进行物相分析，包括依据衍射峰位置的物相定性分析和依据衍射峰高度的定量分析。
5. X射线成像
X射线很强大，能进行元素分析，能进行物相分析，那能否进行形貌观察呢？当然也可以，安检、医院经常用X射线来成像。但是微观形貌观察就很难了。因为微观形貌观察不仅仅是成像，而是要放大成像，并且有足够的放大倍数。要足够的放大，必须对X射线进行足够程度的会聚，这是一件很难的事情，找不到对其会聚的材料，因为它太容易被吸收了。
什么样的电磁波容易被会聚而被吸收呢。这就是可见光以及频率低于可见光的电磁波。但是低频电磁波用于成像的最大问题就是分辨率比较低（分辨率约等于波长一半）。所以显微成像首先考虑用可见光。
6. 光学显微成像（宽场照明）
通常的成像方式就是让样品各点位置发射的光同时通过透镜在透镜像平面上会聚到对应位置。样品各点位置发射的光可以是发射别人的光，这就是透射或散射光；也可以是发自己的光，这就是荧光。显微镜观察时，如果检视样品的透射光，这就是明场模式；如果是检视样品的散射光，这就是暗场模式；如果是检视样品的荧光，这就是荧光显微镜。
对于透明样品，由于没有光的吸收，成像衬度会非常低，观察不到样品微观细节。这是由于入射光分解成透射光与衍射光时，相位会有π/2的差别（后者滞后），导致样品某位置的透射光与衍射光会聚到像平面对应位置时，强度等于入射束，而背景像的光强也等于入射束强度（因样品背景透明，所以背景处的透射束强度等于入射束）。为此，想办法让透射光与衍射光在会聚前，让衍射光超前或推迟π/2，这样透射光与衍射光在像平面上会聚时，会发生相长干涉或相消干涉，这样与背景之间就显示明暗对比（衬度），让我们看到结构细节。让衍射光超前或推迟π/2的办法就是在物镜焦平面上插入相板。为什么要在焦平面上呢，因为在这里，样品不同位置的透射光与散射光是完全分开不重叠的。
对于光学各向异性的样品，还可以利用其不同结构会不同程度地改变入射光的偏振状态来显示自己的结构细节。
7. 光学显微成像（点扫描）
上述显微成像方式是让样品各点位置发射的光同时通过透镜在透镜像平面上会聚到对应位置；如果不是同时，而是逐点扫描成像，这就是扫描式显微镜。实现样品各点同时成像或逐点成像，首先就是照明方式的不同，前者是宽场照明，后者是点扫描式照明。
扫描式照明光学显微镜是随着电子技术和计算机技术的发展而出现的。这种显微镜最大的优势就是景深较大大，立体感较强强，可以三维立体成像。如激光共聚焦荧光显微镜。
由于上述用于形貌观察的显微镜采用可见光来成像，其分辨率受到波长限制。而更短波长的紫外和X射线会被一般物质强烈吸收而无法会聚。为此，电子显微镜就从历史舞台上出现了。
8. 电子显微镜
电子显微镜同样也有宽场照明和点扫描式两种类型。前者称为透射式电子显微镜，使用高速电子束作为“光源”照射超薄样品后，获得透过样品不同位置的电子的强度分布，即成像；同时也能在物镜焦平面上获得透过样品的电子在不同散射方向的强度分布，这就是衍射谱，用以进行物相分析。现代透射式电子显微镜也可以采用点扫描式（STEM模式），将入射电子束聚焦在样品某一点后，采集透过样品的高散射角度或低散射角度电子束强度信号，然后逐点扫描获得图像，这种模式分辨率极高，主要用于原子的成像。另外一种点扫描式电子显微镜就是当前较为常用的扫描式电子显微镜（SEM），它逐点采集电子束聚焦在样品各位置点产生各种信号的强度（二次电子、背散射电子、特征X射线、俄歇电子等），然后绘制成像；也可以逐点采集电子束聚焦在样品各位置点产生的背散射电子强度的方向分布，获得衍射花样，用来进行物相分析。
与透射电镜相比，扫描电镜对样品制备的要求比较低（粗糙表面、厚样品都可以，导电就可，不导电则喷金或喷碳即可），操作和分析也比较简单，但由于极细的电子束到达样品表面后有较大侧向扩展（几个到几十纳米），所以分辨率受限，无法看到原子级别的结构。为此，扫描探针式显微镜就出现了。
9. 扫描探针式显微镜
扫描探针式显微镜（scanning probe microscope，SPM）采用极细的针尖靠近样品表面，在表面逐点移动，不断采集处于各位置时的电信号（电压或电流），然后绘制成像。
· 扫描隧道显微镜
最早出现的SPM是扫描隧道显微镜（STM）。它用极细的纯钨丝的针尖靠近样品表面（要求样品导电），然后在针尖与样品之间加上一定电压，此时针尖与样品之间有电流通过（称为隧穿电流），电流大小与针尖到样品表面距离成反比，据此绘制样品的表面形貌图。STM有两种工作模式：一是在扫描过程中，在维持隧穿电流恒定（即针尖-样品表面间距恒定）情况下，绘制Z向电压大小（该电压用于控制探针高度）对样品表面位置的分布图（恒流模式）；二是在扫描过程中，维持Z向电压恒定（即针尖-绝对高度恒定）下，绘制隧穿电流大小对样品表面位置的分布图（恒流模式）。（凡是某某信号的大小对样品位置的分布图都是像）
· 原子力显微镜
对于非导电样品，则可以采用原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）这种SPM。它利用Si或SiN4制作的针尖靠近样品表面，利用针尖与样品之间的原子间相互作用力（很近为排斥力，稍远为吸引力。相互作用力大小与方向通过悬臂+激光反射装置+光电二极管转换为电信号）反馈产生的电信号来绘制样品的表面形貌图。
AFM有三种工作模式。一是接触模式，即针尖与样品表面距离很近，相互作用力为排斥力。样品移动（注意， STM是针尖移动）时，若表面形貌改变（即针尖-表面的间距变化，则排斥力变化），则悬臂变形程度改变，反射到光电二极管上的光斑位置改变，二极管输出的电信号大小发生改变并得以检测。绘制该电信号大小对样品表面位置的分布图，即获得样品表面图像。也可以在样品移动而表面形貌改变时，通过调整Z向电压（该电压用于控制样品高度）来维持针尖 - 样品间距恒定（即维持斥力恒定），以维持悬臂状态恒定，然后绘制Z向电压对样品表面位置的分布图，即样品表面图像。
二是非接触模式，即针尖与样品表面距离稍远，相互作用力为吸引力。工作时，悬臂轻微振动，反射到光电二极管上的光斑位置也周期性改变，二极管输出一定频率和振幅的电信号。样品移动时，若样品表面形貌改变，则悬臂振动频率或振幅发生改变。通过Z向电压来（即调整样品高度）维持悬臂振动频率或振幅恒定不变（光斑位置恒定），这样绘制Z向电压对样品表面位置的分布图，同样获得样品表面图像。
三是轻敲模式。针尖随悬臂振动，间歇性敲击样品表面（“接触”样品）。移动样品时，若因样品表面形貌改变（针尖-样品表面的间距改变）使得悬臂振动状况改变，则通过调整Z向电压去恢复该间距，维持悬臂的振动状态。如此绘制Z向电压大小对样品表面位置的分布图，即样品表面形貌图。
