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Die Elektronenmikroskopie nutzt einen fokussierten Elektronenstrahl, um hochauflösende Bilder eines Zielobjekts zu erstellen. Während Lichtmikroskope in ihrer Vergrößerung durch die Wellenlänge von Photonen eingeschränkt sind, sind Elektronenmikroskope durch die viel kleinere Wellenlänge von Elektronen begrenzt, wodurch eine Vergrößerung von nahezu 0,05 Nanometern erreicht wird. Es gibt vier Hauptarten von Elektronenmikroskopen, die alle grob durch die Art der reflektierten Energie definiert werden können, die sie vom Objekt aufzeichnen.
Das erste Elektronenmikroskop, ein Transmissionselektronenmikroskop, wurde 1931 von den deutschen Ingenieuren Max Knoll und Ernst Ruska gebaut. Obwohl der ursprüngliche Prototyp eine geringere Vergrößerung als aktuelle Lichtmikroskope erreichte, bewiesen Knoll und Ruska erfolgreich, dass das Design möglich war, und übertrafen zwei Jahre später das Lichtmikroskop in der Vergrößerungskraft. Alle späteren Versionen des Elektronenmikroskops basieren auf diesem ursprünglichen Prototyp.
Transmissionselektronenmikroskope erzeugen Bilder, indem sie den Elektronenstrahl aufzeichnen, nachdem er durch eine dünne Scheibe des Objekts hindurchgegangen ist. Das Objekt wird auf einem Kupferdrahtgitter platziert und einem Elektronenstrahl ausgesetzt, der normalerweise durch das Anlegen von Hochspannung an eine Wolframfaden erzeugt wird. Der Elektronenstrahl reist durch eine Kondensorlinse, trifft das Objekt und setzt sich durch objektive und projektive Linsen fort, bevor er auf einem Phosphorschirm aufgefangen wird. Wie bei allen Formen der Elektronenmikroskopie muss das Zielobjekt dehydriert und in einem Vakuum isoliert werden, um Wasserdampfkontamination zu vermeiden, die zu unerwünschter Elektronenstreuung führen kann. TEMs erzeugen die höchste Vergrößerung aller Elektronenmikroskope.
Rasterelektronenmikroskope sind zusammen mit Transmissionselektronenmikroskopen die am weitesten verbreiteten. Im Gegensatz zu TEMs erzeugen Rasterelektronenmikroskope Bilder, indem sie die sekundären oder unelastisch gestreuten Elektronen sammeln, die von der Oberfläche eines Objekts abprallen. Der primäre Elektronenstrahl reist durch mehrere Kondensorlinsen, Spulen zur Abtastung und eine objektive Linse, bevor er die Oberfläche des Objekts trifft. Der Elektronenstrahl wird beim Auftreffen auf das Objekt gestreut, und ein Sekundär-Elektronen-Detektor sammelt die gestreuten Elektronen. Die Elektronendaten werden dann rasterweise abgescannt, um Oberflächenbilder mit beträchtlicher Schärfentiefe zu erzeugen.
Reflektronenmikroskope arbeiten strukturell sehr ähnlich wie SEMs. REMs sammeln jedoch die zurückgestreuten oder elastisch gestreuten Elektronen, nachdem der primäre Elektronenstrahl die Objektoberfläche getroffen hat. Reflektronenmikroskope werden am häufigsten mit spin-polarisierter Niederenergie-Elektronenmikroskopie gekoppelt, um die magnetische Domänensignatur von Objektoberflächen im Bau von Computerkreisläufen zu imageieren.
Raster-Transmissionselektronenmikroskope leiten, wie herkömmliche TEMs, einen Elektronenstrahl durch eine dünne Scheibe des Objekts. Anstatt den Elektronenstrahl nach dem Durchgang durch die Probe zu fokussieren, fokussiert ein STEM den Strahl im Voraus und erstellt das Bild durch Rasterabtastung. Raster-Transmissionselektronenmikroskope eignen sich gut für analytische Maping-Techniken wie Elektronenenergieverlustspektroskopie und annulares Dunkelfeldmikroskopie.
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