四种仪器名字里都带“显微镜”，探测表面的方式却分属两类。
SEM和TEM用电子束：SEM 把聚焦到纳米量级的电子束在样品表面逐点扫描，收集样品发出的二次电子和背散射电子；TEM 让 100–300 keV 的电子束穿过厚度不到 100 nm 的薄样品，用穿透后的电子成像或衍射。
AFM和STM用一根尖端逼近样品的探针：AFM 记录针尖与表面之间的作用力引起的悬臂梁弯曲或振动变化，STM 记录针尖与导电表面之间在纳米间隙内流过的隧穿电流。
图像里每一个像素记录的量因此完全不同。
SEM 像素的亮度是该点发出的电子数量，它随表面倾角、边缘、成分和电荷积累变化，亮不等于高；TEM 像素的亮度来自电子穿过整个厚度后的质厚衬度、衍射衬度或相位衬度，是样品全部厚度的投影而不是表面；
AFM 像素直接是针尖为维持恒定作用力所处的高度 z，可以按纳米甚至皮米读数；STM 像素是维持恒定隧穿电流时的针尖高度，隧穿电流又随针尖到表面电子态的距离按指数变化，间距每增加 0.1 nm 电流下降约一个数量级。STM 图像因而同时包含原子位置和局域电子态密度两种信息。
分辨率和视野也各占一段。
SEM 横向分辨 1–10 nm，视野可从毫米缩到微米，景深大；TEM 与球差校正 STEM 的横向分辨达 0.05–0.1 nm，视野通常在微米以内；
AFM 的横向分辨受针尖曲率半径限制，约为 10 nm，纵向分辨却可达 0.01 nm 量级，单次扫描范围一般不超过 100 μm；STM 在清洁导电表面上横向分辨约 0.1 nm，纵向优于 0.01 nm，扫描范围以纳米到微米计。
“表面”在四种方法里的厚度也不一样。
SEM 的二次电子只能从表面几纳米内逃逸，但入射电子在样品内散射的体积可达微米量级，背散射电子和 X 射线信号来自更深处；
STM 和 AFM 只与最外一层原子相互作用，是严格意义上的表面方法；TEM 穿过整个薄片，表面原子层与内部原子层叠加在同一张投影里，要单独看表面层，需要制备截面样品或使用单原子层厚的样品。
同一片二维材料在 SEM 里是一块有衬度的畴区，在 STEM 里是原子列，在 STM 里是蜂窝状的电子态起伏。
入射电子把样品原子中的电子激发出来，其中能量低于 50 eV 的二次电子只能从表面几纳米内逃逸，产额随表面倾角增大，边缘和尖端处更高，图像因而带有类似光照的立体感，这就是二次电子像的形貌衬度。
背散射电子由入射电子被原子核弹回产生，产额随原子序数上升，同一平面上重元素区域更亮，给出成分衬度。两种探测器可以同时工作，同一视野既能看形貌又能分成分。
Cu(111) 上生长的 hBN 岛给出一组对照。SEM 伪彩像中 hBN 覆盖区与裸铜区衬度不同，大视野像里可以一次统计上百个六边形岛的取向，岛内还能看到平行条纹。
六边形岛的 AFM 形貌像给出 0–30 nm 的高度分布，条纹对应的高度起伏得到定量；导电 AFM 电流像则把 hBN 覆盖区的绝缘性与裸铜区的导电性分开。SEM 回答的是“哪里不同”，AFM 回答的是“高多少”和“导不导电”。
SEM 的限制同样来自信号本身：样品必须放在真空中，绝缘样品需要镀导电层或改用低真空模式，否则表面电荷积累会使图像漂移、发亮；表面的高度差只能从倾斜角和阴影推测，没有绝对的 z 坐标。高度、粗糙度和厚度这类定量问题，SEM 只能给方向，数值要由探针方法补上
AFM 的针尖装在一根弹性常数已知的悬臂梁末端，梁的弯曲或共振频率变化由激光反射到四象限探测器读出。接触模式下针尖直接压在表面，轻敲模式下悬臂梁以共振频率振动、间歇触碰表面，非接触模式下针尖在表面上方振动、只通过范德华力和静电力感知表面。
三种模式记录的都是为维持设定作用力而调整的针尖高度，图像的 z 轴是真实距离，横向则被针尖形状卷积。AFM 不依赖样品导电，绝缘的氧化物、聚合物、生物样品都能直接测量。
α-Al2O3(0001) 是典型的绝缘表面。超高真空、4.7 K 下的非接触 AFM 形貌像给出这一未重构表面在纳米尺度上高低不平，高度跨越约三个单原子台阶，台阶高度 216 pm；恒高模式的图像分辨出 (1×1) 单胞内的铝原子位置。
同一表面用 Cu 针尖成像时铝原子位置为亮点，换成 CuOx 针尖后变为暗点，针尖末端的化学状态直接参与图像衬度的形成。解释原子分辨图像时，实验像因而必须与不同针尖模型的模拟像对照。
STM 的针尖与导电样品之间加一个偏压，间距缩小到 1 nm 以内时电子隧穿形成皮安到纳安量级的电流。
恒流模式下反馈系统调节针尖高度以维持电流不变，记录下的高度面是样品表面局域电子态密度的等值面：偏压为正时针尖探测样品的空态，为负时探测占据态，同一表面在不同偏压下可以呈现不同图像。
固定针尖位置扫描偏压得到的微分电导 dI/dV 谱就是扫描隧道谱，它给出该点的能隙、带边和缺陷态能量。
石墨烯/SiC 衬底上的单层 WS2 展示了 STM 的完整能力。氩离子轰击在 WS2 中制造硫空位，5 K 下沉积的钴原子先吸附在表面，STM 针尖在低于 −1.3 V 的偏压下把钴原子逐个推入硫空位；吸附态钴与置换进入晶格的钴在 STM 像中的表观高度相差 0.15 nm。同一根针尖既能成像，也能操纵单个原子。
隧道谱随后给出这个人工缺陷的能级。置换钴在 WS2 带隙内产生 0.36 eV 和 0.47 eV 两个缺陷态，负偏压一侧还出现电荷态转变引起的共振，这些能量只能由 STM 在单个缺陷上逐点测得。样品导电、表面原子级清洁是这类测量的前提，这一系列操作都在压强低于 2×10−10 mbar、温度低于 6 K 的条件下完成。
TEM 的电子束穿过样品，透射电子经物镜成像或在后焦面形成衍射花样。明场像中厚区和重元素区因散射多而暗，衍射衬度让晶界、位错和取向差显现，高分辨像把晶格条纹直接投影出来；
STEM 用会聚束逐点扫描，环形暗场探测器收集高角散射电子，像强度近似与原子序数平方成正比，原子列的位置和种类可以同时读出。这些信息都来自电子穿过的整个厚度。
晶圆级单晶 MoS2 单层的合并区域是 STEM 的典型对象。两块同向生长的畴相遇后，六个位置的原子分辨 HAADF-STEM 像都没有出现晶界，(10-10) 和 (11-20) 晶面间距分别为 0.274 nm 和 0.158 nm，与完整单晶一致。
单原子层样品让“投影”与“表面”重合，这是二维材料能用 TEM 直接研究表面原子结构的原因；块体材料的表面则需要用聚焦离子束切出截面，或减薄到电子可穿透的厚度。
STM 对样品的要求最严：样品必须导电，表面必须原子级清洁，多数原子分辨工作在超高真空和液氦温度下完成。
Cu(110) 上的水分子链在 4.8 K 下用 CO 修饰针尖成像时，STM 像只呈现出竖直水分子对应的锯齿状亮斑，五元环的成键结构难以分辨；同一针尖切换到非接触 AFM 的频移成像后，CO 分子与表面原子之间的泡利排斥把氧原子骨架逐个显示出来。
STM 记录的是费米能级附近的电子态，AFM 记录的是原子的几何位置，两者在同一位置给出互补的图像。
AFM 对环境的要求最低：接触模式的侧向力显微镜在大气或 10−6 mbar 真空、室温、0.1–2 nN 载荷下就能在 MoS2 表面分辨晶格，并按侧向力曲线的形状把表层硫空位与次表层空位区分开；CVD 生长的 MoS2 表层空位密度高于机械剥离样品。
STM、非接触 AFM 和 STEM 都能高保真地分辨原子尺度缺陷，但通常要求超高真空、低温或繁重的制样，大气下的侧向力成像把这一门槛降到了常规实验室。
SEM 处在两者之间：样品要放进真空，导电性差的样品要镀金或镀碳，环境扫描模式可以在几百帕水汽中观察含水样品，代价是分辨率下降。TEM 同样要求高真空，含水或含挥发组分的样品需要冷冻或封装在液体池中。四种方法里只有 AFM 能在液体中直接工作，电化学界面和生物样品因而主要由它承担。
四种方法覆盖的面积相差好几个数量级。SEM 能在一次测量中从毫米级视野连续放大到纳米级，统计结果代表性最强；AFM 单幅图像不超过 100 μm，取样点少，数据的代表性依赖多点扫描；STM 通常在纳米到微米范围内工作；TEM 视野受薄区大小限制，往往只有微米量级。
视野越小，结论对取样位置越敏感，同一材料的粗糙度或缺陷密度在 AFM 与 SEM 中给出不同数值，多数来自取样面积差异。
制样负担和束流损伤在四种方法中的分布正好相反：TEM 样品要减薄到电子可穿透，聚焦离子束切割会引入非晶层和镓注入，转移二维材料到载网会带来褶皱和污染；高能电子束在二维材料中会把硫、硒原子击出，成像本身制造空位。
SEM 的电子束在绝缘样品上引起荷电与碳沉积。AFM 和 STM 不需要减薄，也没有电子束损伤，但针尖磨损、针尖沾污和软样品的压痕会改变图像，每一次换针尖后都需要用已知台阶或标准光栅校准。
问题处在微米级形貌、颗粒尺寸分布、断口特征或器件整体结构上，SEM 是第一选择，配合背散射和能谱还能给出成分分布。
问题需要绝对高度、台阶数、薄膜厚度、粗糙度或软材料、液体环境下的表面，AFM 是唯一能直接给出 z 坐标的方法，绝缘样品也无需处理。
问题涉及单个原子的排列、缺陷的电子态、表面重构或分子吸附构型，且样品导电，STM 及其隧道谱不可替代。问题在晶格、位错、界面、相分布或表面层与体相的关系上，TEM 的投影像、衍射和截面像给出其他三种方法无法提供的内部信息。
二维材料的生长研究在同一个样品上依次用到了这几种方法。
Cu(111) 上合并成膜的 hBN 先用 SEM 判断岛的形状与取向是否一致；SEM 回答“岛是否对齐”，TEM 回答“原子是否连续”，前者决定是否值得做后者。薄膜转移到 TEM 载网后，大范围高分辨像和原子分辨像确认合并处没有晶界，多个位置的选区电子衍射花样取向相同，单晶性由此得到确认。
同一类样品换一个问题，选择就换一台仪器。要知道岛的高度和铜台阶的起伏，用 AFM；要知道 hBN 层是否绝缘，用导电 AFM；要知道单个硼、氮空位的电子态，就要把样品放到 STM 里，在低温下逐点测隧道谱。
同一块 hBN 上的三个问题因此分别由 AFM、导电 AFM 和 STM 回答，仪器由问题的尺度、要读的物理量和样品能接受的环境三者决定。
多数表面问题按“先大后小、先形貌后定量、先无损后有损”的顺序推进：SEM 先在大视野中定位感兴趣的区域并统计形貌，AFM 在同一区域给出高度、粗糙度或导电分布，STM 或非接触 AFM 在清洁导电表面上进入原子尺度并读出电子态，TEM 最后对减薄或转移后的样品给出晶格与内部结构。
每一步把上一步的对象缩小一个尺度，同时更换一种物理信号；对同一位置的形貌、高度、电子态和晶格投影相互印证，任何单独一种图像都不足以描述一个表面。
