材料四面体中有一个顶点是化学成分与组织结构。而其中的组织结构尤为重要，因为它可以说是材料性质的来源，无数材料人正是在努力通过各种原料的排列组合、各样制备加工手段的使用，使物质具有一些出众的性质而成为所需材料。
于是，人们在这里就需要观察、了解物质（材料）的微观组织。相比X射线衍射、拉曼光谱分析、质谱、核磁等观测手段，人类似乎更偏爱直接使用显微镜观察物质的微观形态。自从1590年左右由荷兰的詹森父子首创第一台光学显微镜以来，人类对显微镜就越来越感兴趣，放大倍数的增加一次又一次地为人类打开新世界的大门。
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本期文章就简单介绍一下现代材料学中广泛使用的各类显微镜。
01
光学显微镜（OM）
光学显微镜大致可以分3类：
普通光学显微镜
常见于中学生物课，放大倍数几十到几百不等且多数可调。
此类显微镜在材料学中基本不作为主要观测仪器，但是其价格低廉、操作方便、维护简单以及可观察的样品种类基本不受限制等优势使其在样品的粗观察过程中广泛使用。
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金相显微镜
放大倍数几十到上千。这种显微镜为材料人所熟知，凡是与金属相关的方向无不接触到此类显微镜。
金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术结合在一起而开发研制成的高科技产品。其实说白了就是接入了电脑的自带拍照功能的光学显微镜。可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。 众所周知，合金的成分、热处理工艺、冷热加工工艺直接影响金属材料的内部组织、结构的变化，从而使机件的机械性能发生变化。因此用金相显微镜来观察检验分析金属内部的组织结构是材料学与工业生产中的一种重要手段。
简单来说，金相显微镜的使用原理便是基于抛光完成的金属样品面，在化学浸蚀后由于不同相的电极电势的不同，所导致的在电池反应中受腐蚀程度有深浅之分，以此根据光线在样品表面上反射角度的不同而分析样品。
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金相显微镜依试样的放置方向可分为正立式和倒置式两种。两者的区别为：
正立式显微镜光路短，光路设计简单，光损少，制样要求高，样品高度有要求，方便多视场连续观察，镜头不易落灰易维护。
倒置式显微镜，光路长，光损较大，光路设计较复杂，制样要求较低，对样品高低无要求，检测方便快速，不适合多视场分析。
然而，同等配置下倒置显微镜的价格要高于正立式显微镜。
在金相显微镜的基础上，我们又拓展出了岩相显微镜（偏光显微镜），因为其常用于观察岩石、水泥等无机材料而得名。其本质上就是在金相光学显微镜的光源处增加起偏器，镜筒处增加检偏器，也就是方向相互垂直的偏振片。
主要原理便是光在通过双折射体时方向会变换90°，便可以被观察到；而光通过单折射体时方向不变换，在观察时便无法看到。
激光扫描共聚焦荧光显微镜
激光扫描共聚焦荧光显微镜(laser scanning confocal microscopy, LSCM或CLSM)，放大倍数几百到几万，分辨率与入射光波长有关，约几百纳米，可三维成像。
...其实这种显微镜主要用于生物学，但其去除荧光功能的版本在材料学中，比如观察金相、机件的加工粗糙度，得到表面附近的三维图像。
其实其三维成像原理并不复杂，只是在光源和光接收器前分别加装了一个带针孔的挡光板，仔细观察下面的光路图，相信你很快就能明白。
...简单来说，通过激光聚焦的位置的不同，逐一扫描激光聚焦的位置并用在共轭面上的观测口得出图像，将所有不同高度的图像集成起来，便是3D图像。
02
电子显微镜（EM）
我们大致可以分为两类：
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）放大倍数（不同型号有差异）约2~200000，连续可调，分辨率可达几纳米。
SEM 主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应【当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子)、电子振荡（等离子体）】，其中主要是样品的二次电子发射。
二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序创建起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。
...SEM的优点是，①有较高的放大倍数，2-20万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单，导电样品可以直接观察。如果是非导电样品则需要覆上导电层
目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。
...透射电镜和高分辨率透射电镜
透射电子显微镜（Transmission electron microscope，TEM）以及HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscope )高分辨率的透射电镜，分辨率可达0.2nm。
...TEM是发展较为成熟同时也相当复杂的电子显微镜，当时为了找到波长更短的“光”以达到更高的分辨率（可见光的分辨极限是200nm），1932年被发明。其成像原理与光学显微镜几乎相同（但还是不同），可以说是用电子束代替可见光的手段。
总体工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。现在的电子显微镜大多可以进行电子衍射以进一步得到样品更加微观的组织。
...概括地说，TEM并不是直接“看到”像，而是通过电子束碰到样品后产生的“结果”、电子散射的方向来判断得出的。
...透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。然而，这些操作都是相当复杂的，而且本身TEM的操作系统、冷却系统、预热过程、保养维护都非常复杂，仪器本身也相当精密且贵重，更何况大多数情况下我们不须要观察到如此细小的尺寸，故TEM实际应用的并不多，可能只在物理学或者纳米领域应用较多。
...除此之外，现在还有混合型的STEM（扫描透射电子显微镜），兼具了SEM的逐点扫描特性和TEM电子束的发射形式。可以说，这是一种更清晰的电镜。
其他种类的显微镜
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）分辨率为单原子尺度，可达0.1埃（1埃等于10^(-10)m）。
...STM的成像原理是量子隧穿效应,当探针尖端同被测样品表面距离约几个纳米时,探针同样品间将形成隧穿电流,这种隧道电流十分微弱,但是,它的强度却对探针-样品间距十分敏感:探针-样品间距发生一个埃米的变化,将会引起隧道电流强度发生一个量级大小的变化。正是这种特性,使STM的分辨率可达0.01nm,在实空间下可以测得原子图像。
...STM作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope，简单说就是当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息，与扫描隧道显微镜相比，能观测非导电样品，具有更为广泛的适用性。）更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
...AFM的工作情况
扫描隧道显微镜在工作时，就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地接近要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的原子的美丽图片。
...STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
... STM照片 ... 探针进行的原子级操作场离子显微镜
场离子显微镜（Field ion microscope，FIM）是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。
...如果要用FIM看像，样品得先处理成针状，针的末端曲率半径约在200-1000埃。工作时首先将容器抽到1.33×10^(-6)Pa的真空度，然后通入压力约1.33×10^(-1)Pa的成像气体例如惰性气体氦。在样品加上足够高的电压时，气体原子发生极化和电离；在低温环境下，荧光屏上即可显示尖端表层原子的清晰图像，图像中每一个亮点都是单个原子的像。
...通过惰性气体电离便可以观察试样表面的原子排列情况, 同时还可以控制试样上的原子以离子形式蒸发离开表面(称为场蒸发）
简单来说，气体原子在样品的尖端电离飞出打在荧光屏上，这些荧光屏上的点便表示了样品尖端（其实主要是半球形）的原子排布。因此，FIM被称为原子级别的显微镜。
...不同的原子级显微镜可以说各有优势。老牌的SEM(Scanning Electron Microscope)可以获得很多样品信息，但能观测到的最小半径仍大于一些小半径原子； 新式的STM(Scanning tunneling Microscope)此种显微镜的样品便不限制成针状，可用来看像的样品范围更大了；另外还有TEM(Transmission electron microscope)，虽然分辨率很高，但样品要切成一片很薄的膜，技术上比较困难，而且会将样品结构破坏，价钱亦较昂贵。虽说原子解析技术不再被FIM独占，但目前能有与多的研究或实验都需要靠FIM才能做，像是单独原子，或单一原子团在特定的表面之原子运动过程。这些可都一定少不了FIM的！
从詹森的第一台显微镜直到现在，显微镜的发展已经过去了接近半个千年。起初的显微镜只是贵族们的玩具，但当微观世界的大门打开，科学便可以朝着一个新的方向飞速前进。电子显微镜的出现更是打破了可见光的桎梏，把人类引入了粒子的世界——现代科学的基石之一。我们有理由相信，显微镜的发展不会停止。科技的发展，足以让人观察到最小的“基本粒子”和其中的宇宙。
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参考资料
《表征高分子形态、表面和界面的新方法-激光扫描共聚焦荧光显微镜法 (LSCFM)》——邓康清，姜兆华
《扫描电镜的发展及其在聚合物材料研究中的应用》——刘彻
《高稳定扫描隧道显微镜的研制与应用》——王琦
《高精密扫描隧道显微镜及原子力显微镜研制》——侯玉斌
《金相显微镜数字照相及图像分析的方法确认》——毕革平，杨栋
知乎 www.zhihu.com
维基百科 zh.wikipedia.org
中国显微图像网 www.microimage.com.cn
中国科学院网 www.cas.cn
部分资料来源于网络
