Den sædvanlige type mikroskop, du måske finder i et klasselokale eller videnskabslaboratorium, er et optisk mikroskop. Et optisk mikroskop bruger lys til at forstørre et billede op til 2000x (normalt meget mindre) og har en opløsning på cirka 200 nanometer. Et elektronmikroskop bruger på den anden side en stråle af elektroner snarere end lys til at danne billedet. Forstørrelsen af et elektronmikroskop kan være så højt som 10.000.000 x med en opløsning på 50 picometre (0,05 nanometer).
Fordelene ved at bruge et elektronmikroskop i forhold til et optisk mikroskop er meget højere forstørrelse og opløsningsevne. Ulemperne inkluderer udstyrets omkostninger og størrelse, kravet om særlig træning til forberedelse af prøver til mikroskopi og brug af mikroskopet og behovet for at se prøverne i et vakuum (selvom nogle hydratiserede prøver kan anvendes).
Den nemmeste måde at forstå, hvordan et elektronmikroskop fungerer, er at sammenligne det med et almindeligt lysmikroskop. I et optisk mikroskop kigger du gennem et okular og en linse for at se et forstørret billede af en prøve. Det optiske mikroskopopsætning består af et objekt, linser, en lyskilde og et billede, som du kan se.
I et elektronmikroskop indtager en elektronstråle stedet for lysstrålen. Prøven skal udarbejdes specielt, så elektronerne kan interagere med det. Luften inde i prøvekammeret pumpes ud for at danne et vakuum, fordi elektroner ikke rejser langt i en gas. I stedet for linser fokuserer elektromagnetiske spoler elektronstrålen. Elektromagneterne bøjer elektronstrålen på omtrent samme måde som linser bøjer lys. Billedet er produceret af elektroner, så det ses enten ved at tage et fotografi (et elektronmikrograf) eller ved at se prøven gennem en skærm.
Der er tre hovedtyper af elektronmikroskopi, der adskiller sig afhængigt af, hvordan billedet dannes, hvordan prøven forberedes, og billedets opløsning. Disse er transmissionselektronmikroskopi (TEM), scanningselektronmikroskopi (SEM) og scanningstunnelmikroskopi (STM).
De første elektronmikroskoper, der blev opfundet, var transmissionselektronmikroskoper. I TEM transmitteres en højspændingselektronstråle delvist gennem et meget tyndt eksemplar for at danne et billede på en fotografisk plade, sensor eller lysstofrør. Det billede, der dannes, er todimensionelt og sort / hvidt, slags som et røntgenbillede. Fordelen ved teknikken er, at den er i stand til meget høj forstørrelse og opløsning (ca. en størrelsesorden bedre end SEM). Den største ulempe er, at det fungerer bedst med meget tynde prøver.
Ved scanning af elektronmikroskopi scannes elektronstrålen over overfladen af en prøve i et rastermønster. Billedet dannes af sekundære elektroner, der udsendes fra overfladen, når de ophidses af elektronstrålen. Detektoren kortlægger elektronsignalerne og danner et billede, der viser dybdeskarpheden ud over overfladestrukturen. Mens opløsningen er lavere end TEM, tilbyder SEM to store fordele. Først danner det et tredimensionelt billede af en prøve. For det andet kan det bruges på tykkere prøver, da kun overfladen er scannet.
I både TEM og SEM er det vigtigt at indse, at billedet ikke nødvendigvis er en nøjagtig repræsentation af prøven. Prøven kan opleve ændringer på grund af dets forberedelse til mikroskop, fra eksponering for vakuum eller fra eksponering for elektronstrålen.
Et scanning-tunnelmikroskop (STM) viser overflader på atomniveau. Det er den eneste type elektronmikroskopi, der kan forestille sig individuel atomer. Dens opløsning er ca. 0,1 nanometer med en dybde på ca. 0,01 nanometer. STM kan ikke kun bruges i vakuum, men også i luft, vand og andre gasser og væsker. Det kan bruges over et bredt temperaturområde fra næsten absolut nul til over 1000 grader C.
STM er baseret på kvantetunneling. En elektrisk ledende spids bringes nær overfladen af prøven. Når der anvendes en spændingsforskel, kan elektroner tunnelere mellem spidsen og prøven. Ændringen i spidsstrømmen måles, når den scannes over prøven for at danne et billede. I modsætning til andre typer elektronmikroskopi er instrumentet overkommelig og let at fremstille. STM kræver dog ekstremt rene prøver, og det kan være vanskeligt at få det til at fungere.