1.扫描电子显微镜｜SEM
扫描电子显微镜的运行依托特定原理。电子枪发射出直径 50 微米的电子束，在加速电压助力下，经磁透镜系统汇聚，变为直径仅 5 纳米的电子束，并聚焦于样品表面。随后，在第二聚光镜与物镜间偏转线圈作用下，电子束在样品表面呈光栅状扫描。与此同时，设备同步探测入射电子与样品相互作用后，从样品表面散射出的电子和光子，以此获取材料的表面形貌与成分信息。其中，从材料表面散射出的二次电子能量普遍低于 50 电子伏特，多数在 2 - 3 电子伏特左右。由于二次电子能量低，只有样品表层产生的二次电子能逸出表面，逃逸深度仅几个纳米。这些信号电子被探测器收集后转换为光子，再经电信号放大器处理，最终在显示系统成像。
其测试对样品有明确要求，粉体样品需准备约 5 毫克，块体样品长宽高应小于 10 毫米，若样品导电性欠佳，建议进行喷金处理。
SEM 具备诸多优势，可测量尺寸在 5 - 10 毫米的块体样品，放大倍数在 30 - 100 万倍之间，分辨率能达 1 纳米，适用于断面和粗糙表面的观察分析，所成图像立体感与真实感强，便于识别解析样品，且样品制备方法简便。不过，它也存在局限性，样品必须具备导电性或经过导电性处理，且需在高真空环境下开展测试。
2.透射电子显微镜｜TEM
透射电子显微镜的工作原理基于电子与物质的相互作用。电子束经加速聚焦后，照射在极薄的样品上，电子与样品中的原子相互作用发生散射，改变运动方向，散射角度与样品的密度、厚度相关，从而在成像器件上形成明暗不同的图像。在 STEM 模式下，聚焦电子束扫描样品表面，位于样品下方的探测器接收透射电子或弹性散射电子并放大，呈现明暗场像。
测试要求方面，粉体样品需 5 毫克左右的纳米级颗粒，块体样品则要通过离子减薄、FIB、电解双喷等方法制备后才能进行测试。
TEM 可靠性较高，样品使用量少，放大倍数为 50 - 200 万倍，分辨率可达 0.1 - 0.2 纳米。但它对样品厚度要求严苛，通常需小于 100 纳米，否则电子束难以穿透，同样也需在高真空环境下测试。
3.原子力显微镜｜AFM
原子力显微镜的分析原理基于力的探测。将一个对微弱力极为敏感的微悬臂一端固定，另一端装有微小针尖，针尖轻轻接触样品表面。由于针尖尖*原子与样品表面原子间存在微弱排斥力，扫描时通过控制该力恒定，带有针尖的微悬臂会依据针尖与样品表面原子间作用力的 “等位面"，在垂直于样品表面方向起伏运动。借助光学检测法或隧道电流检测法，可测量微悬臂在扫描各点的位置变化，进而获取样品表面形貌信息。
其测试对样品规格有规定，块体及薄膜样品长宽需小于 30 毫米，厚度不超 10 毫米，表面起伏不超过 10 微米；粉末 / 纤维样品含量不少于 1 毫升。
AFM 的优势显著，能呈现真正的三维表面图，可研究包括绝缘体在内的固体材料，表面结构分辨率接近原子级别，无需对样品进行特殊处理，在真空、大气甚至液体环境下都能工作。然而，它也存在成像范围小、成像速度慢、易受弹震影响等缺点。
4.扫描隧道显微镜｜STM
扫描隧道显微镜是利用量子隧穿电流分辨固体表面形貌特征的显微装置，其工作原理基于量子力学的量子隧穿效应。在经典物理学中，当粒子能量低于前方势垒高度时无法越过；但依据量子力学原理，由于粒子具有波动性，即便其能量低于势垒高度，粒子越过势垒出现在另一边的概率也不为零，此即量子隧穿效应。
测试时，样品需具备导电性，扫描面要非常干净平整，且不能有易挥发物质。
STM 的分辨率可达原子级别，具有实时观察性，能在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品可浸在水或其他溶液中，探测过程不会损伤样品。但它对样品要求严格，需满足导电、表面干净平整且无易挥发物等条件。
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