Het gebruikelijke type microscoop dat u in een klaslokaal of wetenschappelijk laboratorium kunt vinden, is een optische microscoop. Een optische microscoop gebruikt licht om een afbeelding tot 2000x (meestal veel minder) te vergroten en heeft een resolutie van ongeveer 200 nanometer. Een elektronenmicroscoop gebruikt daarentegen een bundel elektronen in plaats van licht om het beeld te vormen. De vergroting van een elektronenmicroscoop kan oplopen tot 10.000.000x, met een resolutie van 50 picometer (0,05 nanometer).
De voordelen van het gebruik van een elektronenmicroscoop boven een optische microscoop zijn een veel grotere vergroting en oplossend vermogen. De nadelen zijn onder meer de kosten en de omvang van de apparatuur, de vereiste van een speciale training om monsters voor microscopie te maken en de microscoop te gebruiken, en de noodzaak om de monsters te bekijken in een vacuüm (hoewel sommige gehydrateerde monsters kunnen worden gebruikt).
De eenvoudigste manier om te begrijpen hoe een elektronenmicroscoop werkt, is deze te vergelijken met een gewone lichtmicroscoop. In een optische microscoop kijk je door een oculair en lens om een vergroot beeld van een exemplaar te zien. De opstelling van de optische microscoop bestaat uit een preparaat, lenzen, een lichtbron en een afbeelding die u kunt zien.
In een elektronenmicroscoop neemt een straal elektronen de plaats in van de lichtstraal. Het specimen moet speciaal worden voorbereid, zodat de elektronen ermee kunnen interageren. De lucht in de monsterkamer wordt naar buiten gepompt om een vacuüm te vormen omdat elektronen niet ver reizen in een gas. In plaats van lenzen richten elektromagnetische spoelen de elektronenbundel. De elektromagneten buigen de elektronenbundel op ongeveer dezelfde manier als lenzen licht buigen. De afbeelding is geproduceerd door elektronen, dus het wordt bekeken door een foto te nemen (een elektronenmicrofoto) of door het monster via een monitor te bekijken.
Er zijn drie hoofdtypen elektronenmicroscopie, die verschillen afhankelijk van hoe het beeld wordt gevormd, hoe het monster wordt voorbereid en de resolutie van het beeld. Dit zijn transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en scanning tunneling-microscopie (STM).
De eerste uit te vinden elektronenmicroscopen waren transmissie-elektronenmicroscopen. In TEM wordt een hoogspanningselektronenbundel gedeeltelijk door een zeer dun monster gestuurd om een beeld te vormen op een fotografische plaat, sensor of fluorescerend scherm. Het beeld dat wordt gevormd is tweedimensionaal en zwart-wit, een beetje zoals een röntgenfoto. Het voordeel van de techniek is dat deze in staat is tot zeer hoge vergroting en resolutie (ongeveer een orde van grootte beter dan SEM). Het belangrijkste nadeel is dat het het beste werkt met zeer dunne monsters.
Bij scanning-elektronenmicroscopie wordt de elektronenstraal in een rasterpatroon over het oppervlak van een monster gescand. Het beeld wordt gevormd door secundaire elektronen die door het oppervlak worden uitgezonden wanneer ze worden geëxciteerd door de elektronenbundel. De detector brengt de elektronensignalen in kaart en vormt een beeld dat naast de oppervlaktestructuur ook de scherptediepte laat zien. Hoewel de resolutie lager is dan die van TEM, biedt SEM twee grote voordelen. Ten eerste vormt het een driedimensionaal beeld van een exemplaar. Ten tweede kan het worden gebruikt op dikkere exemplaren, omdat alleen het oppervlak wordt gescand.
In zowel TEM als SEM is het belangrijk om te beseffen dat de afbeelding niet noodzakelijk een nauwkeurige weergave van het monster is. Het preparaat kan veranderingen ondergaan als gevolg van de voorbereiding voor de microscoop, van blootstelling aan vacuüm of van blootstelling aan de elektronenbundel.
Een scanning tunneling microscope (STM) beeldt oppervlakken af op atomair niveau. Het is het enige type elektronenmicroscopie dat individuele afbeeldingen kan maken atomen. De resolutie is ongeveer 0,1 nanometer, met een diepte van ongeveer 0,01 nanometer. STM kan niet alleen in een vacuüm worden gebruikt, maar ook in de lucht, water en andere gassen en vloeistoffen. Het kan worden gebruikt over een breed temperatuurbereik, van bijna absoluut nul tot meer dan 1000 graden C.
STM is gebaseerd op kwantumtunneling. Een elektrisch geleidende punt wordt dichtbij het oppervlak van het monster gebracht. Als er een spanningsverschil wordt aangelegd, kunnen elektronen tussen de punt en het monster tunnelen. De verandering in de stroom van de punt wordt gemeten terwijl deze over het monster wordt gescand om een afbeelding te vormen. In tegenstelling tot andere soorten elektronenmicroscopie is het instrument betaalbaar en gemakkelijk te maken. STM vereist echter extreem schone monsters en het kan lastig zijn om het aan het werk te krijgen.