Den vanlige typen mikroskop du kanskje finner i et klasserom eller vitenskapslaboratorium er et optisk mikroskop. Et optisk mikroskop bruker lys for å forstørre et bilde opp til 2000x (vanligvis mye mindre) og har en oppløsning på omtrent 200 nanometer. Et elektronmikroskop bruker derimot en elektronstråle i stedet for lys for å danne bildet. Forstørrelsen av et elektronmikroskop kan være så høyt som 10.000.000 x med en oppløsning på 50 pikometer (0,05 nanometer).
Fordelene med å bruke et elektronmikroskop i forhold til et optisk mikroskop er mye høyere forstørrelse og oppløsningsevne. Ulempene inkluderer kostnaden og størrelsen på utstyret, kravet om spesiell trening for å klargjøre prøver for mikroskopi og å bruke mikroskopet, og behovet for å se prøvene i et vakuum (selv om noen hydratiserte prøver kan brukes).
Den enkleste måten å forstå hvordan et elektronmikroskop fungerer er å sammenligne det med et vanlig lysmikroskop. I et optisk mikroskop ser du gjennom et okular og en linse for å se et forstørret bilde av et eksemplar. Det optiske mikroskopoppsettet består av et eksemplar, linser, en lyskilde og et bilde som du kan se.
I et elektronmikroskop inntar en elektronstråle stedet for lysstrålen. Prøven må tilberedes spesielt slik at elektronene kan samhandle med det. Luften inne i prøvekammeret pumpes ut for å danne et vakuum fordi elektroner ikke reiser langt i en gass. I stedet for linser fokuserer elektromagnetiske spoler elektronstrålen. Elektromagnetene bøyer elektronstrålen på omtrent samme måte som linser bøyer lys. Bildet er produsert av elektroner, så det vises enten ved å ta et fotografi (et elektronmikrograf) eller ved å se prøven gjennom en skjerm.
Det er tre hovedtyper av elektronmikroskopi, som skiller seg etter hvordan bildet er dannet, hvordan prøven er forberedt og oppløsningen på bildet. Dette er transmisjonselektronmikroskopi (TEM), skanningselektronmikroskopi (SEM), og skanningstunnelmikroskopi (STM).
De første elektronmikroskopene som ble oppfunnet var overføringselektronmikroskop. I TEM blir en høyspennings elektronstråle delvis overført gjennom et veldig tynt eksemplar for å danne et bilde på en fotografisk plate, sensor eller lysrør. Bildet som er dannet er todimensjonalt og svart / hvitt, liksom et røntgen. Fordelen med teknikken er at den er i stand til veldig høy forstørrelse og oppløsning (omtrent en størrelsesorden bedre enn SEM). Den viktigste ulempen er at det fungerer best med veldig tynne prøver.
Ved skanning av elektronmikroskopi blir elektronstrålen skannet over overflaten av en prøve i et rastermønster. Bildet er dannet av sekundære elektroner som sendes ut fra overflaten når de blir begeistret av elektronstrålen. Detektoren kartlegger elektroniske signaler, og danner et bilde som viser dybdeskarpheten i tillegg til overflatestrukturen. Selv om oppløsningen er lavere enn TEM, tilbyr SEM to store fordeler. Først danner det et tredimensjonalt bilde av et eksemplar. For det andre kan den brukes på tykkere prøver, siden bare overflaten blir skannet.
I både TEM og SEM er det viktig å innse at bildet ikke nødvendigvis er en nøyaktig representasjon av prøven. Prøven kan oppleve endringer på grunn av forberedelsene til mikroskop, fra eksponering for vakuum, eller fra eksponering for elektronstrålen.
Et skanningstunnelmikroskop (STM) avbilder overflater på atomnivå. Det er den eneste typen elektronmikroskopi som kan avbilde individ atomer. Oppløsningen er omtrent 0,1 nanometer, med en dybde på omtrent 0,01 nanometer. STM kan ikke bare brukes i vakuum, men også i luft, vann og andre gasser og væsker. Det kan brukes over et bredt temperaturområde, fra nesten absolutt null til over 1000 grader C.
STM er basert på kvantetunneling. Et elektrisk ledende tips bringes nær overflaten av prøven. Når en spenningsforskjell påføres, kan elektronene tunnle mellom spissen og prøven. Endringen i strømmen til spissen måles når den skannes over prøven for å danne et bilde. I motsetning til andre typer elektronmikroskopi, er instrumentet rimelig og enkelt laget. Imidlertid krever STM ekstremt rene prøver, og det kan være vanskelig å få den til å fungere.