目前，已經(jīng)成功研制出的掃描電鏡包括：典型的掃描電鏡、掃描透射電鏡（STEM）?場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）、冷凍掃描電鏡（Cryo-SEM），低壓掃描電鏡( LVSEM)、環(huán)境掃描電鏡( ESEM）、掃描隧道顯微鏡（STM )、掃描探針顯微鏡( SPM )，原子力顯微鏡（AFM）等，以下介紹幾種常用的掃描電鏡。

 

一、掃描隧道顯微鏡（STM）

 

　　掃描隧道顯微鏡的工作原理是利用物理學(xué)上的隧道效應(yīng)及隧道電流。隧道效應(yīng)是指金屬中部分能量低于表面勢壘的自由電子能夠穿透金屬表面勢壘,形成金屬表面上的“電子云”的效應(yīng)。隧道電流是指當(dāng)兩種金屬靠得很近時(shí)（幾納米以下），兩種金屬的電子云將互相滲透，當(dāng)加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí),即使兩種金屬并未真正接觸,也會(huì)有電流由一種金屬流向另一種金屬。

 

　　掃描隧道顯微鏡利用電子隧道現(xiàn)象，將樣品本身作為一個(gè)電極，另個(gè)電極是一根非常尖銳的探針，把探針移近樣品，并在兩者之間加上電壓，當(dāng)探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時(shí)，由于睡道效應(yīng)在探針與樣品表面之間就會(huì)產(chǎn)生隧道電流并保持不受；若表面有微小起伏，哪怕只有原子大小的起伏，也將使穿透電流發(fā)生成千上萬信的變化。

 

　　這種攜帶原子結(jié)構(gòu)的信息輸入電子計(jì)算機(jī),經(jīng)過處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像，其分率達(dá)到了原子水平,放大倍數(shù)可達(dá)3億倍,最小可分的兩點(diǎn)距離為原子直徑的1/10，分辨率高達(dá)0.01nm。

 

　　掃描隧道顯微鏡可以觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)，材料科學(xué)、生命科學(xué)、藥學(xué)化學(xué)納米技術(shù)等研究領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，但STM要求樣品表面與針尖具有導(dǎo)電性，這也是STM在應(yīng)用方面最大的局限所在。

 

二、原子力顯微鏡（AFM）

 

　　原子力顯微鏡的工作原理是利用對(duì)微弱力極其敏感、頂端帶有針尖的做懸臂對(duì)樣品表面進(jìn)行逐行掃描,針尖最外層原子與樣品表面原子之間的相互作用力使微懸臂發(fā)生形或改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過檢測微懸臂的偏轉(zhuǎn)獲得樣品形貌和作用力等相關(guān)信息供計(jì)算機(jī)成像。原子力顯微鏡成像的模式包括了接觸模式和間歇接觸模式。

 

　　原子力顯微鏡是新一代的掃描探針顯微鏡，但是其不要求樣品具有導(dǎo)電性,待測樣品不需要特殊處理就可直接進(jìn)行納米尺度的觀測,AFM在任何環(huán)境(包括液體)中都能成像,面且針尖對(duì)樣品表面的作用力較小,能避免對(duì)樣品造成損傷,所以AFM已成為生物學(xué)研究領(lǐng)域中進(jìn)行納來尺度的實(shí)時(shí)觀測的一種重要工具。

 

三、環(huán)境掃描電鏡（ESEM）

 

　　環(huán)境掃描電鏡的工作原理是采用多級(jí)真空壓差技術(shù),在保持電子槍和鏡筒的高真空狀態(tài)下,樣品室內(nèi)可以保持較高的氣壓（極差真空）及較高的濕度和壓力,而且溫度可調(diào),氣體二次電子探頭接收不導(dǎo)電樣品表面信號(hào),便于觀察新鮮活體生物樣品,解決了生物樣品失水變形問題。樣品無須干燥及鍍膜,能保持生物活體形態(tài)結(jié)構(gòu)的真實(shí)性。

 

　　環(huán)境掃描電鏡既可以在高真空狀態(tài)下工作，又可以在低直空狀態(tài)下工作。在利用高真空功能的時(shí)候，對(duì)于非導(dǎo)電材料和濕潤試樣，必須經(jīng)過固定、脫水，干燥，鍍膜等系列處理后方可觀察。利用低真空功能，樣品可以省略預(yù)處理環(huán)節(jié)，直接觀察試樣，不存在化學(xué)固定所產(chǎn)生的各種問題，甚至可以觀察活體生物樣品。雖然樣品室處在低真空狀態(tài)下，但是其環(huán)境仍然與生物生存的環(huán)境相差甚遠(yuǎn)，未經(jīng)固定的生物樣品在這種環(huán)境中能保持不變的時(shí)間很短，經(jīng)受不起電子束的轟擊，只能作較短時(shí)間的觀察。只適合于含水量較少的生物樣品，對(duì)于含水量高的樣品的觀察還存在一些技術(shù)上的困難。環(huán)境掃描電鏡廣泛應(yīng)用于石油陶瓷、建筑、印刷、化工催化劑、電訊、醫(yī)藥衛(wèi)生、燃料、高溫超導(dǎo)體、金屬腐蝕與防護(hù)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域。

 

四、冷凍掃描電鏡

 

　　冷凍掃描電鏡又稱低溫掃描電鏡，是把冷凍樣品制備技術(shù)與掃描電鏡融為一體的種新型掃描電鏡。簡單來說，冷凍掃描電鏡就是在掃描電鏡中安裝一個(gè)冷臺(tái)，將新鮮樣品冷凍固定，置于冷臺(tái)上，在低加速電壓下作短時(shí)間觀察。

 

　　這種冷臺(tái)適用于觀察那些不適于常規(guī)處理（如化學(xué)固定、脫水、干燥、導(dǎo)電等處理）的生物樣品。生物樣品經(jīng)冷凍保護(hù)劑（甘油、二甲基亞砜等）作用后，在液氮中快速冷凍，然后將冷凍樣品轉(zhuǎn)移到掃描電鏡的冷臺(tái)上，在觀察過程中，用液氮保持冷臺(tái)處在低溫的狀態(tài)。在有些情況下，可稍提高樣品的溫度，使樣品表面的冰在高真空中升華，暴露樣品表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)。

 

　　冷凍掃描電鏡主要觀察經(jīng)快速冷凍固定的樣品，特別適用于含水樣品的觀察,因此在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。生物樣品經(jīng)冷凍固定后在冷凍掃描電鏡中既能避免化學(xué)固定的缺點(diǎn),保持樣品的活體狀態(tài)，又能適應(yīng)掃描電鏡的各種真空環(huán)境。此外，冷凍掃描電鏡還具有冷凍斷裂和通過控制樣品升華來選擇性地去除表面水（冰）分的功能,從面能觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)冷凍掃描電鏡有一個(gè)預(yù)抽真空室，以保證冷凍樣品的最佳狀態(tài)。

 

　　冷凍掃描電鏡已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)，包括植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、直菌學(xué)、生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)，是藥物學(xué)、化妝品和保健品的重要研究工具，而且是食品工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，可應(yīng)用于冰淇淋、糖果蜜錢和乳制品等產(chǎn)品的檢測。

 

五、掃描透射電鏡（STEM）

 

　　20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家研制出掃描透射電鏡。這是一種成像方式與透射和掃描都相似并且兼有二者優(yōu)點(diǎn)的新型電子顯微鏡。掃描透射電鏡可分為兩種型號(hào)：

 

　?。?）高分辨型掃描透射電鏡，這是一種專用的掃描透射電鏡，分辨率可高達(dá)0.3~0.5 nm，能夠直接觀察單個(gè)重金屬原子像，已經(jīng)接近透射電鏡的水平；

 

　?。?）附件型掃描透射電鏡，其是指在透射電鏡上加裝掃描附件和掃描透射電子檢測器后組成的掃描透射電鏡裝置。這種掃描透射電鏡的分辨率較低，一般為1.5~3.0 nm，但它增加了透射電鏡的功能，為人們提供了一個(gè)新的研究手段。

 

　　掃描透射電鏡的基本原理是由于樣品各處質(zhì)量、厚度和品體學(xué)特性不盡相同，所以檢測器的輸出信號(hào)也在不斷變化,于是在顯像管上就得到一幅掃描透射電子像。

六、場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）

 

　　場發(fā)射掃描電鏡是一種高分辨率掃描電鏡,其分辨率在加速電壓 30 kV時(shí)達(dá)0.6nm，已接近透射電鏡的水平。但試樣必須浸沒于物鏡的強(qiáng)磁場中以減少球差的影響，所以試樣的尺寸受到限制，最大為23mm×6 mm×3 mm?；趫霭l(fā)射掃描電鏡的超高分率，其能作各種固態(tài)樣品表面形貌的二次電子像、反射電子像及圖像處理；配有高性能X射線能譜儀，能同時(shí)進(jìn)行樣品表層的微區(qū)成分的定性、半定量和定量分析，獲得元素的分布圖，最高成像分辨率1.5 nm，加速電壓0~30 kV，放大倍數(shù)0~80萬倍，工作距離1~50mm，傾斜角度7°~45°，X射線能譜分辨率130cV，元素分析范圍為B~U。

 

　　場發(fā)射掃描電鏡廣泛應(yīng)用于材料分析中，尤其是其良好的低壓高空間分析性能和低壓下良好的掃描電子像相互結(jié)合使用，使掃電鏡應(yīng)用范圍得到擴(kuò)展。

 

　　場發(fā)射掃描電鏡的應(yīng)用范圍很廣，比如利用其低壓性能好的優(yōu)點(diǎn)可以進(jìn)行表面微細(xì)節(jié)觀察與研究，從而能夠得到原子序數(shù)襯度像；利用其二次電子成像觀察與分析，可以對(duì)小于0.1 nm的細(xì)節(jié)進(jìn)行成分的點(diǎn)，線和面分析；可以對(duì)試樣在常規(guī)鎢絲槍不能分辨開的區(qū)域進(jìn)行分析；可以替代TEM的部分工作；也可以利用 FESEM進(jìn)行半導(dǎo)體方面的研究，如半導(dǎo)體材料中晶體缺陷應(yīng)變場的形狀和尺寸缺陷的走向、表面層內(nèi)的密度、單個(gè)缺陷的顯微形態(tài)、缺陷間的相對(duì)取向以及相互作用等等。此外，場發(fā)射掃描電鏡可以用于檢驗(yàn)拋光硅表面氧、碳的玷污，直接觀測集成電路中用電子束曝光蝕刻的二氧化硅、氮化硅的亞微米光柵的間距、蝕刻深度及邊緣角度等。

 

七、掃描電聲顯微鏡（SEAM）

 

　　掃描電聲顯微鏡是融現(xiàn)代電子光學(xué)技術(shù)，電聲技術(shù)、壓電傳感技術(shù)、弱信號(hào)檢測和脈沖圖像處理以及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的一種新型無報(bào)分析和顯微成像工具。

 

　　其主要結(jié)構(gòu)由六個(gè)部分組成：電子束發(fā)生器,波束消隱裝置、電場和溫度可變的樣品臺(tái)及壓電探測器、電聲信號(hào)處理器、圖像是示器、計(jì)算機(jī)信號(hào)采集和圖像處理控制系統(tǒng)?；竟ぷ髟硎菑?qiáng)度受調(diào)制的電子束入射在樣品上時(shí)，試樣因吸收電子束能量而在入射點(diǎn)上產(chǎn)生周期性的表面熱，這種表面熱是熱波的波源。

 

　　熱波從受照區(qū)域開始傳播，并與試樣產(chǎn)生相互作用，熱波傳播過程中在試樣內(nèi)形成了快速變化的應(yīng)力和應(yīng)變場，當(dāng)遇到熱的邊界時(shí)就會(huì)被反射和散射，并將一部分能量轉(zhuǎn)換成聲波，聲波的幅度和相位與熱波和試樣的相互作用有關(guān)。當(dāng)載有熱波和試樣相互作用信息的聲波到達(dá)電聲信號(hào)探測器時(shí)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過逐點(diǎn)掃描方式就能獲得一副完整的電聲圖像。

 

　　掃描電聲顯微鏡可以在原位同時(shí)觀察基于不同成像機(jī)理的二次電千像和電聲像；也可以現(xiàn)察殘余應(yīng)力分布的精細(xì)結(jié)構(gòu)，清楚地顯示維氏壓痕所留下的性區(qū)和彈性區(qū)交替變化的電聲像；還可以觀察未經(jīng)預(yù)處理的樣品，得到極性功能材料最基本的物理特性一鐵電疇的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。