光學顯微鏡
光學顯微技術是在微米尺度上觀察礦物形貌及結構的較普遍的方法，有實體、偏光和反光3種類型。
實體顯微鏡能較為直觀地放大物體，放大倍數不高，一般為幾倍至100倍，可以觀察礦物形態、解理以及表面較明顯的微形貌結構。
偏光顯微鏡能放大數十倍到數百倍，可以觀察礦物的雙晶、解理、塊狀或隱晶集合體形態等特征。
圖24-1 透射相襯顯微鏡的光學系統示意圖
圖24-2 掃描電子顯微鏡結構示意圖
反光顯微鏡通常用于不透明礦物的集合體形態的觀察。
二、相襯顯微鏡
相襯顯微鏡能夠觀察到礦物表面納米（nm）尺度的分子層厚度，對推動晶體表面微形貌的研究起了極其重要的促進作用。
相襯顯微鏡的光學系統能將入射光產生的位相差轉換為振幅（或強度）差。前者肉眼無法辨認，經轉換后就能直接觀察位相差所反映的物體表面（反射）或內部（透射）的結構細節。
相襯顯微鏡的結構與普通偏光顯微鏡相似，所不同的是在聚光鏡下方插入了一個環形空圈板；另有幾個安裝有位相板的相襯物鏡及同軸調整望遠鏡3個特殊部分。環形空圈板的作用在于提高分辨率；位相板（即位相過濾器）的作用是加大圖像的襯比度。相襯顯微鏡有透射式與反射式兩種類型（透射式的光學系統見圖24-1），前者用于觀察薄片中礦物內部顯微構造，后者用于觀察晶體表面。借助相襯顯微鏡，能清晰看到微米（μm）級、具立體感的微觀形貌，對探索礦物的結晶狀態和生長機制，提供了許多用常規方法不能獲得的豐富信息。
三、電子顯微鏡
電子顯微鏡包括透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM），是將電子束激發樣品微區產生的信號收集、放大并轉換成各種圖像、圖譜或強度數據，從而直接給出亞微觀尺度的樣品形貌、結構和成分的儀器。
透射電鏡的結構主要由電子槍、電磁透鏡（聚光系統）、成像系統、真空系統、顯像部分、電源部分及各種附件組成。結構上它與普通光學顯微鏡相似，不同的是，光學顯微鏡用可見光作光源，在空氣介質中工作，聚光系統是玻璃透鏡，最高放大倍數為1000 倍左右，有效分辨率為0.2μm；而透射電鏡則用電子束作射線源，由于電子波長很短，其分辨本領很高，為減少運動電子能量損失，在真空下工作，并采用雙電磁透鏡聚焦，以提高電子束強度和物鏡成像后的亮度，放大倍數由幾百倍到200萬倍，分辨率達0.7～1nm，可觀察晶格像、位錯、晶體缺陷等微細結構的變化。透射電鏡的實驗技術，要求制備極薄（100～200nm）的透明樣品，目前主要通過離子減薄制樣技術獲得。
掃描電鏡是用細聚焦電子束在試樣表面掃描時激發產生二次電子（輔有背散射電子、吸收電子和特征X射線），經收集、處理、放大后成二次電子像，從而獲得樣品表面的三維立體圖像（圖24-2）。掃描電鏡主要功能是進行高分辨的微形貌觀察。
目前掃描電鏡普遍的分辨率是4～7nm，放大倍數可從10倍到30萬倍，中間連續可調，圖像清晰，立體感強。掃描電鏡制樣簡單，對具導電性樣品，不必經過加工，只要其大小不大于樣品座即可；對于非導電性樣品，需在表面噴鍍5～20nm厚導電膜，通常是用二次電子發射系數高的金或碳噴鍍（習慣稱鍍金或鍍碳）。近年發展起來的環境掃描電鏡除了不必噴鍍外，還可對活體進行觀察，適于進行礦物-生物相互作用研究。
除以上礦物形貌研究方法外，還有光學測角儀，主要對晶體的面角進行測量。
四、掃描探針顯微鏡
探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，簡稱SPM）是指那些以隧道效應為理論基礎發展起來的各種分析實驗方法。它們都是通過一個探針相對于樣品進行掃描，通過監測兩者之間電、光、力、磁場等隨針尖與樣品間隙的變化來獲取待測樣品表面的有關信息。SPM家族中最為重要的兩個成員是掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM）和原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱 AFM），其他 SPM 技術均是在此兩種技術的基礎上發展而來的。1988年和1990年，STM和AFM相繼被引入礦物學的研究中，給礦物學、礦物材料學研究增添了一個有力工具。
1.掃描隧道顯微鏡
STM的基本原理是量子的隧道效應。所謂“隧道效應”是指當兩個電極間被加上一個偏壓并接近到一定程度時，電子從一個電極轉移到另一個電極而產生電流的現象，所產生的電流稱為隧道電流。根據產生隧道效應的原理，將原子限度的極細針尖和被研究物質表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常小（通常小于1nm）時，在外加電場作用下，電子會穿過兩個電極之間的絕緣層由一個電極流向另一個電極，這種現象即前面介紹的隧道效應。隧道電流I是電子波函數重疊的量度，與針尖和樣品之間的距離S及平均功函數X有關：
I∝Vbexp（-AX1/2S）
式中：Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓；A為常數，在真空條件下約等于1；X為平均功函數
結晶學與礦物學
式中：X1和X2分別為針尖和樣品的功函數。
由上式可知，隧道電流強度對針尖與樣品間的距離非常敏感。當功函數為幾個eV時，S每改變0.1nm，I將改變一個數量級。因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，探針在垂直于樣品表面方向上的高低變化就能反映出樣品表面的起伏。將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表面費米能級附近狀態密度的分布或原子排列的圖像。這種掃描方式稱為恒流方式。也可控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品表面費米能級附近狀態密度的分布，這種掃描方式稱為恒高模式。因此一般的STM都有兩種工作方式：恒流模式和恒高模式。恒高模式可以采用較快的掃描速度，因此可以減小噪音和熱漂移的影響，較適合于礦物等較為復雜的物質表面的小范圍觀察。恒流模式則適合于低速掃描，常用于物質表面較大范圍的觀察。
掃描隧道顯微鏡的特點是STM實驗不需接觸樣品就可研究物質表面結構。STM具有原子級的分辨率，使它成為目前分辨率最高的表面分析儀器。STM可以在各種環境中進行實驗，STM可以直接觀察原子間轉移的過程。對于表面的吸附和滲透過程、礦物表面與溶液間的反應過程，STM可能描繪出較為詳細的機理。
雖然STM具有很多獨特的優點，但同時它也存在自己的局限性，如樣品表面原子種類不同，或樣品表面吸附有原子、分子時，由于不同種類的原子或分子團等具有不同的電子態密度和功函數，此時STM給出的等電子態密度輪廓不再對應于樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子和各自態密度組合后的綜合效果。STM不能區分這兩個因素。STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對于半導體，觀測的效果就差于導體。對于絕緣體則根本無法直接觀察。針尖形狀對圖像有嚴重影響。
2.原子力顯微鏡
AFM的探頭是對微弱力（如范德華力）極敏感的微懸臂。當微懸臂的針尖接觸樣品時，針尖尖端的原子與樣品表面的原子會產生極微弱的排斥力。掃描樣品時通過控制這種力使之恒定，針尖與樣品間作用力的等位面便能從原子尺度上反映礦物表面的微形貌。
AFM不僅適用于導電樣品，也適用于不導電樣品。
3.掃描探針顯微鏡在礦物學研究中的應用
SPM應用于與礦物有關的研究始于1988年。近10年來SPM已被廣泛應用于各種與礦物或礦物材料學研究有關的領域。
（1）礦物材料表面形貌研究
表面微形貌即表面的微觀幾何形態，是指特征尺度一般在微米級、納米級到原子級的三維微觀形貌。
在表面定性觀察方面，SPM是目前分辨率最高的分析儀器。掃描電子顯微鏡雖是用于固體物質形貌觀察的主要手段，但其分辨率難以超過6nm。SPM 的橫向分辨率可達原子級，因此SPM填補了物質微形貌觀察中分辨率從6nm到原子級之間的空白，使微形貌研究可以在前所未有的高分辨率水平上開展。在表面定量研究方面，SPM較其他分析手段更易實現表面二維、三維形貌數據的計算機采集和處理，進行形貌定量分析。因此SPM在表面形貌定量研究方面具有巨大潛力。國外近年來已開發出一些可計算材料表面二維參數的計算機軟件。
SPM在礦物和材料表面形貌研究中的應用已有不少實例，用SPM觀察到了很多礦物和其他材料表面重要的微形貌現象，如礦物表面的溶蝕現象、礦物和材料表面的生長紋等。
（2）礦物材料表面原子結構研究
SPM是目前唯一能在正空間觀察物質表面原子排布的儀器，因此目前這方面的研究最為活躍。已用SPM觀察到了若干礦物、有機和無機材料表面的原子排布、原子缺陷、表面重構、各種疇結構等重要的結構現象。如輝鉬礦表面鉬原子分布的STM圖像、單晶硅表面7×7重構現象的STM像、硬石膏解理面的AFM圖像，顯示了氧和鈣原子的排布等。
（3）礦物材料表面吸附和化學反應研究
表面吸附是表面科學研究中的重要課題。表面科學研究常常需要知道原子或分子吸附在表面的什么部位？它們如何與基底聯結？用傳統的表面分析技術只能了解表面的平均性質，不能對吸附的原子或分子成像，難以確切回答以上問題。而SPM在這一領域有獨特的優點。由于SPM可在溶液中進行實驗，因此SPM可用于直接觀察表面的化學反應過程，如表面溶蝕過程和表面生長過程等。用SPM便獲得了金浸泡在KI溶液中，I原子吸附在金表面的現象