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上的隧道效應及隧道電流。隧道效應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。隧道電流是指當兩種金屬靠得很近時（幾納米以下），兩種金屬的電子云將互相滲透，當加上適當?shù)碾妷簳r,即使兩種金屬并未真正接觸,也會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電極，另個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，當探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時，由于睡道效應在探針與樣品表面之間就會產(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)的信息輸入電子計算機,經(jīng)過處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像，其分率達到了原子水平,放大倍數(shù)可達3億倍,最小可分的兩點距離為原子直徑的1/10，分辨率高達0.01nm。

 

　　掃描隧道顯微鏡可以觀察單個原子在物質(zhì)表面的狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學性質(zhì)，在表面科學，材料科學、生命科學、藥學化學納米技術(shù)等研究領域有廣闊的應用前景，但STM要求樣品表面與針尖具有導電性，這也是STM在應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微弱力極其敏感、頂端帶有針尖的做懸臂對樣品表面進行逐行掃描,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)生形或改變運動狀態(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)信息供計算機成像。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電性,待測樣品不需要特殊處理就可直接進行納米尺度的觀測,AFM在任何環(huán)境(包括液體)中都能成像,面且針尖對樣品表面的作用力較小,能避免對樣品造成損傷,所以AFM已成為生物學研究領域中進行納來尺度的實時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電樣品表面信號,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候，對于非導電材料和濕潤試樣，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，樣品可以省略預處理環(huán)節(jié)，直接觀察試樣，不存在化學固定所產(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，未經(jīng)固定的生物樣品在這種環(huán)境中能保持不變的時間很短，經(jīng)受不起電子束的轟擊，只能作較短時間的觀察。只適合于含水量較少的生物樣品，對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、高溫超導體、金屬腐蝕與防護、材料科學、環(huán)境科學、生命科學等領域。

 

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冷臺，將新鮮樣品冷凍固定，置于冷臺上，在低加速電壓下作短時間觀察。

 

　　這種冷臺適用于觀察那些不適于常規(guī)處理（如化學固定、脫水、干燥、導電等處理）的生物樣品。生物樣品經(jīng)冷凍保護劑（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上，在觀察過程中，用液氮保持冷臺處在低溫的狀態(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,因此在生物學領域的應用日益增多。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固定的缺點,保持樣品的活體狀態(tài)，又能適應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預抽真空室，以保證冷凍樣品的最佳狀態(tài)。

 

　　冷凍掃描電鏡已廣泛應用于生命科學，包括植物學、動物學、直菌學、生物技術(shù)、生物醫(yī)學和農(nóng)業(yè)科學，是藥物學、化妝品和保健品的重要研究工具，而且是食品工業(yè)的標準檢測方法，可應用于冰淇淋、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70年代初，科學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)點的新型電子顯微鏡。掃描透射電鏡可分為兩種型號：

 

　　（1）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0.3~0.5 nm，能夠直接觀察單個重金屬原子像，已經(jīng)接近透射電鏡的水平；

 

　　（2）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、厚度和品體學特性不盡相同，所以檢測器的輸出信號也在不斷變化,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時達0.6nm，已接近透射電鏡的水平。但試樣必須浸沒于物鏡的強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。基于場發(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，能同時進行樣品表層的微區(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，使掃電鏡應用范圍得到擴展。

 

　　場發(fā)射掃描電鏡的應用范圍很廣，比如利用其低壓性能好的優(yōu)點可以進行表面微細節(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，可以對小于0.1 nm的細節(jié)進行成分的點，線和面分析；可以對試樣在常規(guī)鎢絲槍不能分辨開的區(qū)域進行分析；可以替代TEM的部分工作；也可以利用 FESEM進行半導體方面的研究，如半導體材料中晶體缺陷應變場的形狀和尺寸缺陷的走向、表面層內(nèi)的密度、單個缺陷的顯微形態(tài)、缺陷間的相對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)代電子光學技術(shù)，電聲技術(shù)、壓電傳感技術(shù)、弱信號檢測和脈沖圖像處理以及計算機技術(shù)為一體的一種新型無報分析和顯微成像工具。

 

　　其主要結(jié)構(gòu)由六個部分組成：電子束發(fā)生器,波束消隱裝置、電場和溫度可變的樣品臺及壓電探測器、電聲信號處理器、圖像是示器、計算機信號采集和圖像處理控制系統(tǒng)?；竟ぷ髟硎菑姸仁苷{(diào)制的電子束入射在樣品上時，試樣因吸收電子束能量而在入射點上產(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力和應變場，當遇到熱的邊界時就會被反射和散射，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)。當載有熱波和試樣相互作用信息的聲波到達電聲信號探測器時被轉(zhuǎn)換成電信號，通過逐點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觀察基于不同成像機理的二次電千像和電聲像；也可以現(xiàn)察殘余應力分布的精細結(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驗結(jié)果。