กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งกำเนิดแสง โดยใช้เลนส์อิเล็กตรอนซึ่งคล้ายกับเลนส์แก้วของกล้องจุลทรรศน์แสงเพื่อควบคุมลำแสงอิเล็กตรอน เช่น การโฟกัสเพื่อสร้างภาพขยายหรือ รูปแบบ การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนเนื่องจากความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนอาจสั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้มากกว่า 100,000 เท่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงมีความละเอียด สูงกว่ามากประมาณ 0.1 นาโนเมตร ซึ่งเทียบได้กับประมาณ 200 นาโน เมตรสำหรับกล้องจุลทรรศน์แสง^{[ 1 ]}กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนอาจหมายถึง:

• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ซึ่งอิเล็กตรอนความเร็วสูงสามารถทะลุผ่านตัวอย่างบางๆ ได้
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนส่งผ่าน (STEM) ซึ่งคล้ายกับ TEM แต่ใช้หัววัดอิเล็กตรอนแบบสแกน
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ซึ่งคล้ายกับ STEM แต่ใช้กับตัวอย่างที่มีความหนา
• เครื่องวิเคราะห์จุลภาคอิเล็กตรอน (Electron microprobe)คล้ายกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) แต่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ทางเคมีมากกว่า
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนพลังงานต่ำ (LEEM) ใช้สำหรับสร้างภาพพื้นผิว
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบโฟโตอิเล็กตรอน (PEEM) ซึ่งคล้ายกับ LEEM ใช้หลักการที่ว่าอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวโดยโฟตอน

สามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้จากลิงก์ด้านบน บทความนี้มีข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านและแบบสแกนเป็นหลัก

การพัฒนาหลายอย่างได้วางรากฐานของเลนส์อิเล็กตรอนที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์^{[ 2 ]}ขั้นตอนสำคัญอย่างหนึ่งคืองานของเฮิรตซ์ในปี 1883 ^{[ 3 ]}ซึ่งสร้างหลอดรังสีแคโทดที่มีการเบี่ยงเบนด้วยไฟฟ้าสถิตและแม่เหล็ก แสดงให้เห็นถึงการควบคุมทิศทางของลำแสงอิเล็กตรอน การพัฒนาอื่นๆ ได้แก่ การโฟกัสอิเล็กตรอนด้วยสนามแม่เหล็กตามแนวแกนโดยเอมิล วีเชิร์ตในปี 1899 ^{[ 4 ]}แคโทดเคลือบออกไซด์ที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งผลิตอิเล็กตรอนได้มากขึ้นโดยอาร์เธอร์ เวห์เนลต์ในปี 1905 ^{[ 5 ]}และการพัฒนาเลนส์แม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1926 โดยฮันส์ บุช [ ^{6 ] ตาม}ที่เดนนิส กาบอร์กล่าว นักฟิสิกส์เลโอ ซิลาร์ดพยายามโน้มน้าวให้เขาสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในปี 1928 ซึ่งซิลาร์ดได้ยื่นจดสิทธิบัตรไว้^{[ 7 ]}

จนถึงปัจจุบัน ประเด็นเรื่องใครเป็นผู้คิดค้นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}ในปี 1928 ที่Technische Hochschuleในชาร์ลอตเทนบูร์ก (ปัจจุบันคือTechnische Universität Berlin ) อดอล์ฟ มัทธิอัส (ศาสตราจารย์ด้านเทคโนโลยีแรงดันสูงและการติดตั้งระบบไฟฟ้า) ได้แต่งตั้งแม็กซ์ โนลล์ให้เป็นหัวหน้าทีมวิจัยเพื่อพัฒนาการวิจัยเกี่ยวกับลำแสงอิเล็กตรอนและออสซิลโลสโคปแบบรังสีแคโทด ทีมประกอบด้วยนักศึกษาปริญญาเอกหลายคน รวมถึงเอิร์นสต์ รัสกาในปี 1931 แม็กซ์ โนลล์และเอิร์นสต์ รัสกา^{[ 12 ] [ 13 ]}ประสบความสำเร็จในการสร้างภาพขยายของตะแกรงตาข่ายที่วางอยู่เหนือช่องเปิดของขั้วบวก อุปกรณ์ดังกล่าว ซึ่งมีแบบจำลองแสดงอยู่ในรูป ใช้เลนส์แม่เหล็กสองตัวเพื่อให้ได้กำลังขยายที่สูงขึ้น ซึ่งถือเป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนตัวแรก (แม็กซ์ โนลล์ เสียชีวิตในปี 1969 จึงไม่ได้รับส่วนแบ่งจากรางวัลโนเบลประจำ ปี 1986 สำหรับการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน)

เห็นได้ชัดว่างานที่Siemens-SchuckertโดยReinhold Rüdenberg นั้นเป็นอิสระจากความพยายามนี้ ตามกฎหมายสิทธิบัตร (สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 2058914 ^{[ 14 ]}และ 2070318 ^{[ 15 ]}ซึ่งยื่นจดทะเบียนในปี 1932 ทั้งคู่) เขาเป็นผู้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน แต่ไม่ชัดเจนว่าเขามีเครื่องมือที่ใช้งานได้หรือไม่ เขาได้กล่าวไว้ในบทความสั้นๆ ในปี 1932 ^{[ 16 ]}ว่า Siemens ได้ทำงานเกี่ยวกับเรื่องนี้มาหลายปีก่อนที่จะมีการยื่นจดสิทธิบัตรในปี 1932 โดยอ้างว่าความพยายามของเขานั้นควบคู่ไปกับการพัฒนาของมหาวิทยาลัย เขาเสียชีวิตในปี 1961 ดังนั้นจึงคล้ายกับ Max Knoll ที่ไม่มีสิทธิ์ได้รับส่วนแบ่งรางวัลโนเบลในปี 1986 ^{[ 17 ]}

ในปีถัดมาคือปี 1933 รัสกาและโนลล์ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเครื่องแรกที่มีความละเอียดสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง^{[ 18 ]}สี่ปีต่อมาในปี 1937 ซีเมนส์ได้ให้ทุนสนับสนุนงานของเอิร์นสต์ รัสกาและโบโด ฟอน บอร์รีส์และจ้างเฮลมุต รัสกาน้องชายของเอิร์นสต์ เพื่อพัฒนาการใช้งานกล้องจุลทรรศน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับตัวอย่างทางชีววิทยา^{[ 18 ] [ 19 ]}ในปี 1937 เช่นกันแมนเฟรด ฟอน อาร์เดนน์ได้บุกเบิกกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน^{[ 20 ]}ซีเมนส์ผลิตกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเชิงพาณิชย์เครื่องแรกในปี 1938 ^{[ 21 ]}กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเครื่องแรกในอเมริกาเหนือถูกสร้างขึ้นในช่วงทศวรรษ 1930 ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐวอชิงตันโดยแอนเดอร์สันและฟิตซ์ซิม มอนส์ ^{[ 22 ]} และที่มหาวิทยาลัยโตรอนโตโดยอีไล แฟรงคลิน เบอร์ตันและนักศึกษาเซซิล ฮอลล์เจมส์ ฮิลเลียร์และอัลเบิร์ต พรีบัส Siemens ผลิตกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ในปี พ.ศ. 2482 ^{[ 23 ]}แม้ว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านในปัจจุบันจะสามารถขยายได้ถึง 2 ล้านเท่า แต่ในฐานะเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์แล้วก็ยังคงคล้ายคลึงกันแต่มีเลนส์ที่ได้รับการปรับปรุง

ในช่วงทศวรรษ 1940 มีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูง ทำให้สามารถขยายภาพและมีความละเอียดสูงขึ้น^{[ 24 ]}ในปี 1965 Albert Creweจากมหาวิทยาลัยชิคาโกได้แนะนำกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนส่งผ่านโดยใช้แหล่งกำเนิดการปล่อยสนาม^{[ 25 ]}ทำให้สามารถใช้กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนที่มีความละเอียดสูงได้[ ^{26 ]}ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 การปรับปรุงความเสถียรทางกลและการใช้แรงดันเร่งที่สูงขึ้นทำให้สามารถถ่ายภาพวัสดุในระดับอะตอมได้^{[ 27 ] [ 28 ] ใน}ช่วงทศวรรษ 1980 ปืนปล่อยสนามกลายเป็นเรื่องปกติสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณภาพของภาพเนื่องจากความสอดคล้องที่เพิ่มขึ้นและความคลาดเคลื่อนของสีที่ลดลง ทศวรรษ 2000 เป็นช่วงที่มีความก้าวหน้าในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่แก้ไขความคลาดเคลื่อน ทำให้สามารถปรับปรุงความละเอียดและความคมชัดของภาพได้อย่างมาก^{[ 29 ] [ 30 ]}

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบดั้งเดิม หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนแรงดันสูง ส่องสว่างชิ้นงานและสร้างภาพ ลำแสงอิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้นโดยปืนอิเล็กตรอนโดยทั่วไปอิเล็กตรอนจะมีพลังงานอยู่ในช่วง 20 ถึง 400 keV ถูกโฟกัสโดย เลนส์ แม่เหล็กไฟฟ้าและส่งผ่านชิ้นงานบางๆ เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนออกมาจากชิ้นงาน มันจะนำข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของชิ้นงานไปด้วย ซึ่งจะถูกขยายโดยเลนส์ของกล้องจุลทรรศน์ การเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ของข้อมูลนี้ ("ภาพ") สามารถมองเห็นได้โดยการฉายภาพอิเล็กตรอนที่ขยายแล้วลงบนตัวตรวจจับ ตัวอย่างเช่น ผู้ใช้งานอาจมองเห็นภาพได้โดยตรงโดยใช้หน้าจอเรืองแสงที่เคลือบด้วยสารเรืองแสงหรือ สาร เรืองแสงแบบสั่นไหวเช่นซิงค์ซัล ไฟด์ โดยทั่วไปแล้วจะใช้สารเรืองแสงความละเอียดสูงเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ของ กล้องดิจิทัลโดยใช้ระบบเลนส์หรือตัวนำแสงใยแก้ว นำแสง แนวทางที่แตกต่างคือการใช้ตัวตรวจจับอิเล็กตรอนโดยตรงซึ่งไม่มีสารเรืองแสง ซึ่งช่วยแก้ไขข้อจำกัดบางประการของกล้องที่เชื่อมต่อด้วยสารเรืองแสง^{[ 31 ]}

เป็นเวลาหลายปีที่ความละเอียดของ TEM ถูกจำกัดโดยความคลาดเคลื่อนของเลนส์อิเล็กตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความคลาดเคลื่อนทรงกลม ในเครื่องมือรุ่นล่าสุด ตัวแก้ไขฮาร์ดแวร์สามารถลดความคลาดเคลื่อนทรงกลมและความคลาดเคลื่อนอื่นๆ ได้ ทำให้ความละเอียดในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) ดีขึ้นจนต่ำกว่า 0.5 อังสตรอม (50 พิโคเมตร ) ^{[ 32 ]}ทำให้สามารถขยายภาพได้มากกว่า 50 ล้านเท่า^{[ 33 ]}ความสามารถของ HRTEM ในการกำหนดตำแหน่งของอะตอมภายในวัสดุนั้นมีประโยชน์สำหรับงานวิจัยและพัฒนาหลายด้าน^{[ 34 ]}

SEM สร้างภาพโดยการตรวจสอบตัวอย่างด้วยลำแสงอิเล็กตรอนที่โฟกัสแล้วสแกนไปทั่วตัวอย่าง ( การสแกนแบบแรสเตอร์ ) เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับตัวอย่าง มันจะสูญเสียพลังงานและกระจัดกระจายไปในทิศทางต่างๆ ด้วยกลไกหลายอย่าง ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ทำให้เกิดเหตุการณ์ต่างๆ เช่น การปล่อยอิเล็กตรอนทุติยภูมิพลังงานต่ำและอิเล็กตรอนกระเจิงกลับพลังงานสูง การปล่อยแสง ( แคโทดลูมิ เนสเซนซ์ ) หรือ การปล่อย รังสีเอ็กซ์สัญญาณทั้งหมดเหล่านี้มีข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่าง เช่น ลักษณะพื้นผิวและองค์ประกอบ ภาพที่แสดงเมื่อใช้ SEM จะแสดงการเปลี่ยนแปลงความเข้มของสัญญาณเหล่านี้เป็นภาพ ในแต่ละตำแหน่งในภาพจะสอดคล้องกับตำแหน่งของลำแสงบนตัวอย่างเมื่อสร้างสัญญาณ^{[ 35 ] : 1–15}

SEM แตกต่างจาก TEM ตรงที่ใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำกว่ามาก โดยทั่วไปต่ำกว่า 20 keV ^{[ 36 ]}ในขณะที่ TEM โดยทั่วไปใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานอยู่ในช่วง 80-300 keV ^{[ 37 ]}ดังนั้น แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนและเลนส์ของกล้องจุลทรรศน์ทั้งสองชนิดจึงมีการออกแบบที่แตกต่างกัน และโดยปกติจะเป็นเครื่องมือที่แยกจากกัน^{[ 38 ]}

STEM ผสมผสานคุณสมบัติของทั้ง TEM และ SEM โดยการสแกนหัววัดที่โฟกัสแล้วไปทั่วตัวอย่าง แต่ในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้อิเล็กตรอนที่ส่งผ่านตัวอย่าง การถ่ายภาพหลายประเภทเป็นเรื่องปกติสำหรับทั้ง TEM และ STEM แต่บางประเภท เช่นการถ่ายภาพแบบวงแหวนมืดและการวิเคราะห์เทคนิคอื่นๆ ทำได้ง่ายกว่ามากด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่ที่สูงกว่าในเครื่องมือ STEM ข้อเสียอย่างหนึ่งคือข้อมูลภาพจะถูกเก็บรวบรวมแบบอนุกรมแทนที่จะเป็นแบบขนาน^{[ 35 ] : 75–138}

วิธีการที่พบได้บ่อยที่สุดในการสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนนั้นเกี่ยวข้องกับการเลือกทิศทางต่างๆ ของอิเล็กตรอนที่ผ่านตัวอย่าง และ/หรืออิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างกัน มีวิธีการทำเช่นนี้อยู่มากมาย แต่ไม่ใช่ทุกวิธีที่นิยมใช้กัน

ใน SEM สัญญาณเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของลำแสงอิเล็กตรอนกับอะตอมภายในตัวอย่าง โหมดที่พบได้บ่อยที่สุดคือการใช้อิเล็กตรอนทุติยภูมิ (SE) เพื่อสร้างภาพ อิเล็กตรอนทุติยภูมิมีพลังงานต่ำมาก ประมาณ 50 eVซึ่งจำกัดระยะทางเฉลี่ยอิสระในสสารแข็งไว้ที่เพียงไม่กี่นาโนเมตรใต้พื้นผิวตัวอย่าง^{[ 39 ]} อิเล็กตรอนจะถูกตรวจจับโดยตัวตรวจจับ Everhart–Thornley [ ^{40 ]} ซึ่งเป็นระบบตัวเก็บรวบรวม - ตัว เรือง แสง- โฟโตมัลติพลายเออ^ร์ชนิดหนึ่งสัญญาณจากอิเล็กตรอนทุติยภูมิมีแนวโน้มที่จะกระจุกตัวสูง ณ จุดที่ลำแสงอิเล็กตรอนปฐมภูมิกระทบ ทำให้สามารถเก็บภาพพื้นผิวตัวอย่างด้วยความละเอียดที่ดีกว่า 1 นาโนเมตรและด้วยเครื่องมือเฉพาะทางในระดับอะตอม^{[ 41 ]}

ความสว่างของสัญญาณขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนทุติยภูมิที่ไปถึงตัวตรวจจับ หากลำแสงเข้าสู่ตัวอย่างตั้งฉากกับพื้นผิว อิเล็กตรอนจะออกมาอย่างสมมาตรตามแกนของลำแสง เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น ปริมาตรการปฏิสัมพันธ์ที่อิเล็กตรอนออกมาจะเพิ่มขึ้น และระยะ "หลุดออก" จากด้านหนึ่งของลำแสงจะลดลง ส่งผลให้มีอิเล็กตรอนทุติยภูมิถูกปล่อยออกมาจากตัวอย่างมากขึ้น ดังนั้นพื้นผิวและขอบที่ลาดชันจึงมีแนวโน้มที่จะสว่างกว่าพื้นผิวเรียบ ซึ่งส่งผลให้ภาพที่ได้มีลักษณะสามมิติที่ชัดเจนคล้ายกับภาพแสงสะท้อน^{[ 39 ]}

อิเล็กตรอนกระเจิงกลับ (BSE) คืออิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจากตัวอย่างเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างลำแสงกับตัวอย่าง โดยอิเล็กตรอนจะเกิด การกระเจิง แบบยืดหยุ่นและไม่ยืดหยุ่นโดยทั่วไปจะกำหนดให้มีพลังงานตั้งแต่ 50 eV จนถึงพลังงานของลำแสงหลัก อิเล็กตรอนกระเจิงกลับสามารถใช้สำหรับการสร้างภาพและการสร้าง ภาพ การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนกระเจิงกลับ (EBSD) ซึ่งอย่างหลังสามารถใช้เพื่อกำหนดโครงสร้างผลึกของตัวอย่างได้^{[ 39 ]}

ธาตุหนัก (เลขอะตอมสูง) จะกระเจิงอิเล็กตรอนได้แรงกว่าธาตุเบา (เลขอะตอมต่ำ) ดังนั้นจึงปรากฏสว่างกว่าในภาพ ภาพ BSE จึงสามารถใช้ตรวจจับพื้นที่ที่มีองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันได้^{[ 39 ]} เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสัญญาณ จึงมีการวางตัวตรวจจับอิเล็กตรอนกระเจิงกลับโดยเฉพาะไว้เหนือตัวอย่างในลักษณะ "โดนัท" โดยมีจุดศูนย์กลางร่วมกับลำแสงอิเล็กตรอน เพื่อเพิ่มมุมการเก็บรวบรวมให้สูงสุด ตัวตรวจจับ BSE มักจะเป็นแบบสารเรืองแสงหรือแบบเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อใช้ทุกส่วนของตัวตรวจจับเพื่อรวบรวมอิเล็กตรอนอย่างสมมาตรเกี่ยวกับลำแสง จะทำให้เกิดความแตกต่างของเลขอะตอม อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างทางภูมิประเทศที่รุนแรงจะเกิดขึ้นจากการรวบรวมอิเล็กตรอนกระเจิงกลับจากด้านหนึ่งเหนือตัวอย่างโดยใช้ตัวตรวจจับ BSE แบบไม่สมมาตรและมีทิศทาง ความแตกต่างที่เกิดขึ้นจะปรากฏราวกับว่ามีการส่องสว่างภูมิประเทศจากด้านนั้น ตัวตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์สามารถทำเป็นส่วนรัศมีที่สามารถสลับเข้าหรือออกเพื่อควบคุมประเภทของความแตกต่างที่เกิดขึ้นและทิศทางของมันได้^{[ 39 ]}

การสร้างภาพด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนนั้น ใช้การเปลี่ยนแปลงในทิศทางของการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน หรือแอมพลิจูดของอิเล็กตรอนที่เลี้ยวเบน หรือทั้งสองอย่าง เมื่อเทียบกับตำแหน่ง เป็นกลไกในการสร้างความคมชัด เป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดในการสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน และเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย

แนวคิดคือการใช้รูรับแสงแบบวัตถุประสงค์ใต้ตัวอย่างและเลือกทิศทางการเลี้ยวเบนเพียงทิศทางเดียวหรือหลายทิศทาง จากนั้นใช้ทิศทางเหล่านี้เพื่อสร้างภาพ เมื่อรูรับแสงครอบคลุมทิศทางของลำแสงตกกระทบ ภาพที่ได้จะเรียกว่าภาพสว่าง (bright field ) เนื่องจากหากไม่มีตัวอย่างใดๆ บริเวณที่มองเห็นจะสว่างสม่ำเสมอ เมื่อรูรับแสงไม่รวมลำแสงตกกระทบ ภาพที่ได้จะเรียกว่าภาพมืด (dark field ) เนื่องจากเช่นเดียวกัน หากไม่มีตัวอย่าง ภาพที่ได้จะมืดสม่ำเสมอ^{[ 42 ] [ 43 ]}รูปแบบหนึ่งของสิ่งนี้เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบมืดลำแสงอ่อน (weak-beam dark-field microscopy ) และสามารถใช้เพื่อสร้างภาพความละเอียดสูงของข้อบกพร่อง เช่น ดิสโลเคชัน^{[ 44 ]}

ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (บางครั้งเรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูง) ลำแสงที่เลี้ยวเบนจำนวนหนึ่งจะผ่านช่องรับแสงของเลนส์วัตถุ ลำแสงเหล่านี้จะรบกวนกัน ทำให้เกิดภาพที่แสดงโครงสร้างอะตอมของวัสดุ ซึ่งอาจรวมถึงทิศทางของลำแสงตกกระทบ หรือในกรณีของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านแบบสแกน โดยทั่วไปจะเป็นช่วงของลำแสงที่เลี้ยวเบนหลายลำที่ไม่รวมลำแสงตกกระทบ^{[ 28 ]}ขึ้นอยู่กับความหนาของตัวอย่างและความคลาดเคลื่อนของกล้องจุลทรรศน์ ภาพเหล่านี้สามารถตีความได้โดยตรงในแง่ของตำแหน่งของคอลัมน์ของอะตอม หรือต้องมีการวิเคราะห์อย่างละเอียดมากขึ้นโดยใช้การคำนวณการกระเจิงหลายครั้งของอิเล็กตรอน^{[ 45 ]}และผลกระทบของฟังก์ชันการถ่ายโอนความคมชัดของกล้องจุลทรรศน์^{[ 46 ]}

ยังมีวิธีการสร้างภาพแบบอื่นๆ อีกมากมายที่สามารถนำไปสู่ข้อมูลระดับอะตอมได้เช่นกันโฮโลแกรมอิเล็กตรอนใช้การรบกวนของอิเล็กตรอนที่ผ่านตัวอย่างและลำแสงอ้างอิง^{[ 47 ]} 4D STEMรวบรวมข้อมูลการเลี้ยวเบนที่แต่ละจุดโดยใช้เครื่องมือสแกน จากนั้นประมวลผลเพื่อสร้างภาพประเภทต่างๆ^{[ 48 ]}

การวิเคราะห์ไมโครเอ็กซ์เรย์เป็นวิธีการหนึ่งในการได้ข้อมูลทางเคมีเฉพาะที่ภายในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทุกประเภท แม้ว่าจะใช้กันทั่วไปในเครื่องมือสแกนก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนพลังงานสูงทำปฏิกิริยากับอะตอม พวกมันสามารถทำให้เกิดการหลุดของอิเล็กตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งอิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นในและอิเล็กตรอนแกนกลาง จากนั้น อิเล็กตรอนวาเลนซ์จะเข้ามาเติมเต็มและความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะวาเลนซ์และแกนกลางสามารถแปลงเป็นรังสีเอ็กซ์ซึ่งตรวจจับได้ด้วยสเปกโทรเมตร พลังงานของรังสีเอ็กซ์เหล่านี้ค่อนข้างเฉพาะเจาะจงกับชนิดของอะตอม ดังนั้นจึงสามารถตรวจสอบเคมีเฉพาะที่ได้^{[ 39 ]}

เช่นเดียวกับการวิเคราะห์ไมโครเอ็กซ์เรย์ พลังงานของอิเล็กตรอนที่ส่งผ่านตัวอย่างสามารถวิเคราะห์และให้ข้อมูลได้ตั้งแต่รายละเอียดของโครงสร้างอิเล็กตรอนเฉพาะที่ไปจนถึงข้อมูลทางเคมี^{[ 50 ]}

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านสามารถใช้ใน โหมด การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนซึ่งจะสร้างแผนที่ของมุมของอิเล็กตรอนที่ออกจากตัวอย่าง ข้อดีของการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนเหนือการตกผลึกด้วยรังสีเอกซ์นั้นอยู่ที่ขนาดของผลึกเป็นหลัก ในการตกผลึกด้วยรังสีเอกซ์ ผลึกมักจะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าและโดยทั่วไปมีความยาวหลายร้อยไมโครเมตร ในขณะที่ผลึกสำหรับการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนต้องมีความหนาน้อยกว่าไม่กี่ร้อยนาโนเมตร และไม่มีขอบเขตล่างของขนาด นอกจากนี้ การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนยังทำบน TEM ซึ่งสามารถใช้เพื่อรับข้อมูลประเภทอื่นได้เช่นกัน แทนที่จะต้องใช้เครื่องมือแยกต่างหาก^{[ 51 ] [ 37 ]}

การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนมีหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการส่องสว่างที่ใช้ หากใช้ลำแสงขนานที่มีช่องเปิดเพื่อจำกัดบริเวณที่อิเล็กตรอนได้รับ จะสังเกตเห็นลักษณะการเลี้ยวเบนที่คมชัด ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่า การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนในพื้นที่ที่เลือก (selected area electron diffraction ) ซึ่งมักเป็นเทคนิคหลักที่ใช้ อีกวิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือการส่องสว่างแบบทรงกรวย และเรียกว่าการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบลำแสงรวม (convergent beam electron diffractionหรือ CBED) ซึ่งเหมาะสำหรับการตรวจสอบความสมมาตรของวัสดุ วิธีที่สามคือการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบพรีเซสชัน (precession electron diffraction ) โดยที่ลำแสงขนานจะหมุนรอบมุมกว้าง ทำให้เกิดรูปแบบการเลี้ยวเบนเฉลี่ย^{[ 52 ]}ซึ่งมักมีการกระเจิงหลายครั้งน้อยกว่า^{[ 53 ]}

• การเรืองแสง ด้วยรังสีแคโทด - การวิเคราะห์โฟตอนที่เกิดจากลำแสงอิเล็กตรอน
• การถ่ายภาพโดยใช้ความแตกต่างของประจุ - ใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของประจุตามตำแหน่งเพื่อสร้างภาพ
• CryoEM - การใช้ตัวอย่างแช่แข็ง ซึ่งส่วนใหญ่เป็นตัวอย่างทางชีวภาพ
• EBSD - การใช้คลื่นอิเล็กตรอนกระเจิงกลับ โดยทั่วไปใช้ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)
  • TKD - การใช้เส้นคิคุจิในรูปแบบการเลี้ยวเบน
• ECCI - การใช้ความแตกต่างของแสงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
• EBIC - การวัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นโดยขึ้นอยู่กับตำแหน่งของลำแสงขนาดเล็ก
• การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน - วิธีการสร้างข้อมูลสามมิติโดยการรวมภาพต่างๆ เข้าด้วยกัน
• FEM - เทคนิคในการตรวจสอบวัสดุนาโนคริสตัลไลน์
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทางภูมิคุ้มกันวิทยา - การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในด้านภูมิคุ้มกันวิทยา
• การวิเคราะห์เฟสเชิงเรขาคณิต - วิธีการวิเคราะห์ภาพความละเอียดสูง
• การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนทีละบล็อก - วิธีการสร้างข้อมูลสามมิติจากภาพจำนวนมาก
• WDXS - การตรวจจับรังสีเอ็กซ์ที่มีความแม่นยำสูงขึ้นเพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีเฉพาะที่

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านที่แก้ไขความคลาดเคลื่อน (AC-TEM) เป็นคำทั่วไปสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีการนำส่วนประกอบอิเล็กโทรออปติก มาใช้เพื่อลด ความคลาดเคลื่อนที่จะจำกัดความละเอียดของภาพ ในอดีตกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีความคลาดเคลื่อนค่อนข้างรุนแรง และจนกระทั่งประมาณต้นศตวรรษที่ 21 ความละเอียดก็มีจำกัด สามารถถ่ายภาพโครงสร้างอะตอมของวัสดุได้ก็ต่อเมื่ออะตอมอยู่ห่างกันมากพอ^{[ 54 ]}ประมาณช่วงเปลี่ยนศตวรรษ ส่วนประกอบอิเล็กตรอนออปติกถูกเชื่อมต่อเข้ากับการควบคุมเลนส์และการจัดตำแหน่งด้วยคอมพิวเตอร์ ทำให้สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนได้ การสาธิตครั้งแรกของการแก้ไขความคลาดเคลื่อนในโหมด TEM เกิดขึ้นโดยHarald RoseและMaximilian Haiderในปี 1998 โดยใช้ตัวแก้ไขแบบเฮกซาโพล และในโหมด STEM โดยOndrej Krivanekและ Niklas Dellby ในปี 1999 โดยใช้ตัวแก้ไขแบบควอดรูโพล/อ็อกทูโพล^{[ 55 ]}

ณ ปี 2025 การแก้ไขความคลาดเคลื่อน ทางเรขาคณิต ถือเป็นมาตรฐานในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเชิงพาณิชย์หลายรุ่น และมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ มากมาย^{[ 56 ] [ 57 ]}ตัวแก้ไขที่คล้ายกันนี้ยังถูกใช้ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่ามากสำหรับเครื่องมือLEEM อีกด้วย ^{[ 58 ]}

โดยส่วนใหญ่แล้ว ตัวอย่างสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง จำเป็นต้องเตรียมตัวอย่างเพื่อให้ตัวอย่างคงตัวและเพิ่มความคมชัด เทคนิคการเตรียมตัวอย่างแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับตัวอย่างและคุณสมบัติเฉพาะที่จะสังเกต รวมถึงกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้ด้วย รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถดูได้จากบทความหลักที่เกี่ยวข้องซึ่งระบุไว้ข้างต้น

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีราคาแพงในการสร้างและบำรุงรักษา กล้องจุลทรรศน์ที่ออกแบบมาเพื่อให้ได้ความละเอียดสูงจะต้องติดตั้งในอาคารที่มั่นคง (บางครั้งอยู่ใต้ดิน) พร้อมบริการพิเศษ เช่น ระบบยกเลิกสนามแม่เหล็กและแท่นรองกันสั่น^{[ 59 ]}

โดยส่วนใหญ่แล้วตัวอย่างจะต้องถูกตรวจสอบในสภาวะสุญญากาศเนื่องจากโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นอากาศจะทำให้เกิดการกระเจิงของอิเล็กตรอน ข้อยกเว้นคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในเฟสของเหลว^{[ 60 ]}โดยใช้เซลล์ของเหลวแบบปิดหรือห้องควบคุมสภาพแวดล้อม เช่น ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนในสภาพแวดล้อมซึ่งช่วยให้สามารถมองเห็นตัวอย่างที่มีน้ำได้ในสภาพแวดล้อมที่มีความดันต่ำ (สูงสุด 20  Torrหรือ 2.7 kPa) นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาเทคนิคต่างๆ สำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ in situของตัวอย่างก๊าซอีกด้วย^{[ 61 ]}

ตัวอย่างวัสดุที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ รวมถึงตัวอย่างทางชีวภาพเกือบทั้งหมด จะต้องได้รับการเตรียมในหลายวิธีเพื่อให้คงตัว ลดความหนา (การตัดแบบบางพิเศษ) และเพิ่มความคมชัดของภาพอิเล็กตรอน (การย้อมสี) กระบวนการเหล่านี้อาจทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอมขึ้นได้แต่โดยทั่วไปแล้วสามารถระบุได้โดยการเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้จากการใช้วิธีการเตรียมตัวอย่างที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ตั้งแต่ปี 1980 เป็นต้นมา การวิเคราะห์ ตัวอย่าง ที่แช่แข็งและทำให้เป็นแก้วก็ได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นเช่นกัน^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

ตัวอย่างจำนวนมากได้รับความเสียหายจากรังสีซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในได้ ซึ่งอาจเกิดจาก กระบวนการ เรดิโอไลติกหรือบัลลิสติก เช่นการชนกันแบบต่อเนื่อง^{[ 66 ]}ซึ่งอาจเป็นปัญหาร้ายแรงสำหรับตัวอย่างทางชีวภาพ^{[ 67 ] [ 68 ]}

วิกิมีเดียคอมมอน ส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

• บทนำเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์ ( เก็บถาวรเมื่อ 19 กรกฎาคม 2013 ที่Wayback Machine) : แหล่งข้อมูลสำหรับครูและนักเรียน
• ฐานข้อมูลที่เน้นเซลล์เป็นศูนย์กลาง – ข้อมูลจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน