結構表徵

原子太小了，任何一般顯微鏡都看不到它，光學顯微鏡根本無法解析原子，因為原子比可見光的波長還小。那我們究竟怎麼知道結構？結構表徵就是那一整套實驗工具，讓我們能在每一個長度尺度上看見、量測並描繪材料的結構，從原子的堆積一直到晶粒的圖案。

兩大家族是繞射與顯微術。繞射是拿波長接近原子間距的波，X 光、電子或中子（都在 1 埃左右），去照射試樣，再讀取它們散射出來的干涉圖案；因為晶體是週期性的，這個圖案便揭示了原子的排列。X 光繞射是解晶體結構的主力。顯微術則是形成一幅放大的影像：光學顯微鏡揭示顯微組織（晶粒、相）；電子顯微鏡（TEM、SEM）與掃描探針顯微鏡（STM、AFM）則能一路觸及單個原子。另有互補的工具處理化學組成與缺陷。

表徵是結構-性質關係得以被證明、而非被猜測的途徑：要解釋一個性質，你得先看見那個負責的結構。有一個值得及早知道的誠實限制：繞射量到的是散射波束的強度，卻遺失了它們的相位（也就是相位問題），所以把繞射圖案還原成一張原子圖，需要巧妙的功夫，而不是按一下就好。而電子與物質的作用極強，所以電子顯微術需要超薄的試樣，還得應付多重散射。每種工具都在自己的尺度上看得最清楚，所以真正的研究會結合好幾種方法。