SEM、TEM、XRD、XPS 等核心材料表征技术各技术的信号产生、图谱解析逻辑及应用场景SEM的核心是的过程，依赖电子与样品表层原子的相互作用。kV加速后，通过聚光镜系统聚焦为直径纳米级的电子束。
聚焦电子束扫描样品表面时，与表层5-1000二次电子SE和背散射电子BSE1）二次电子SE
eV以下，仅来自样品表层5-10凸起处电子逃逸概率高，信号强，图像亮；凹陷处电子易被遮挡，信号弱，图像暗DOI：10.1021/acs.chemrev.4c00831。
电子束中的部分电子与样品原子的原子核发生弹性碰撞，被反弹回来形成背散射电子。其能量接近入射电子能量，来自样品表层100-1000BSE2原子序数越高，原子核质量越大，电子反弹概率越高，信号越强，图像越亮SEM的分辨率由电子束波长和透镜系统共同决定为分辨率，单位nm，越小越好；λ为入射电子束的波长，单位nm；β为透镜的数值孔径，与透镜设计相关；α为电子束与样品表面的入射角，单位rad。
电子束波长λh为普朗克常数，m为电子静止质量，e为电子电荷，U为加速电压，电子束波长越短，分辨率越高。
过高电压会导致样品表面原子溅射，损伤样品，还可能激发过多无关信号，因此需在分辨率与样品保护间平衡TEM与SEM的本质区别是，利用电子的透射和衍射效应，实现材料内部结构乃至原子排列的观测，核心依赖电子的波动性。
kV加速后，形成高能电子束，波长可达0.0025nm的超薄样品。电子束穿透能力有限，；
电子束穿透样品时，会发生三种现象——。弹性散射电子遵循布拉格衍射规律，非弹性散射电子则携带样品的化学信息；透射电子与散射电子在物镜后焦面干涉形成衍射花样，再经中间镜和投影镜放大，最终在荧光屏或探测器上形成图像。
HRTEM能观察到原子级晶格条纹，核心依据是布拉格衍射定律为晶体的晶面间距,单位nm，晶体结构的特征参数；θ为电子束的衍射角，单位rad；n为衍射级次，n=1,2,3…，通常取为入射电子束的波长，单位nm。
θ照射晶体时，只有满足上述方程的晶面，才能使散射电子产生相长干涉，形成强衍射信号。在HRTEM图像中，。通过测量晶格条纹间距，可直接确定晶体的物相。
SAED是TEM的重要附加功能，用于分析局部区域的晶体结构μm，仅让该区域的电子参与衍射，形成衍射花样；
，每个斑点对应一组晶面的衍射信号，，不同晶粒的同一组晶面对称衍射形成，无定形材料则无明显衍射信号，仅呈现弥散的背景。
DOI：10.1021/acs.nanolett.1c01985。
X射线衍射XRD 核心机制
“晶体对X射线的相干散射”通常采用，通过高压激发Cu原子的内层电子跃迁，释放出特征X射线，Cu K射线，波长λ=0.154 nm，该波长与大多数晶体的晶面间距0.1-1DOI：10.1021/acsami.0c21791。
当干涉满足相长条件时，形成强衍射峰；相消时则无信号，这一过程称为相干散射；
的变化被探测器记录，形成XRD图谱，图谱中的衍射峰位置、强度、宽度分别对应晶体的不同结构特征。
核心公式
d，。因此，衍射峰的位置2θd的函数，而d是晶体结构的特征参数，不同物相的d值不同，如同“指纹”一般，可用于物相识别。
值，代入布拉格方程计算出对应的值对比，。
XRD图谱的衍射峰宽度不仅受仪器因素影响，还与样品的相关，通过以下公式可定量分析：
为晶粒尺寸，单位nm；K为形状因子，与晶粒形状相关，通常取0.89；λ为X射线波长，单位nm；β为衍射峰的半高宽，单位rad，需扣除仪器宽化效应；θ，单位rad。
，因此通过峰宽可反推晶粒尺寸，这也是纳米材料晶粒尺寸表征的常用方法。
（2）晶格应变
ɛ；Δd为晶格畸变导致的晶面间距变化，单位nm；d为无畸变时的晶面间距，单位nm；β为衍射峰半高宽，单位rad；θ为衍射角，单位rad。
，反映在XRD图谱中就是衍射峰偏移，同时峰宽可能增加，通过该公式可定量计算晶格应变的大小。
XPS的本质是，利用X射线激发样品表面原子的内层电子，通过测量光电子的结合能，分析样品的表面元素组成、价态及键合方式，核心依赖光电效应。
只有表层1-10，因此XPS是一种表面分析技术，仅反映样品表层的化学状态。
单色X射线，常用Al K射线，光子能量被原子的内层电子吸收，；
图谱中的特征峰位置对应元素种类和价态，峰强度对应元素含量。
核心公式
结合能方程：
E为电子的结合能，单位eV，原子的特征参数；hν为入射X射线的光子能量，单位eV，已知常数；E为光电子的动能，单位eV，仪器测量值；Φ为仪器的功函数，单位eV，固定值，测试前通过标准样品校准。
b不同元素的内层电子结合能不同DOI：10.1021/acsami.9b01761。
E为结合能偏移量，单位eV；Δq为原子的电荷变化,单位e，>0表示原子失去电子，电子的结合能并非固定值，会随原子的化学环境变化而偏移，这一现象称为化学位移此外，，因此可通过化学位移分析原子的键合方式。
XPS高分辨谱是解析价态和键合方式的关键，同一元素的不同价态对应不同的结合能，；不同化学键对应的电子云密度不同，导致结合能存在差异，可区分不同键合方式的氧物种，进而分析样品的表面化学结构。
