กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน ( TEM ) เป็น เทคนิค กล้องจุลทรรศน์ที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนส่งผ่านตัวอย่างเพื่อสร้างภาพ ตัวอย่างที่ใช้มักจะเป็นชิ้นส่วนบางพิเศษที่มีความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตร หรือสารแขวนลอยบนตะแกรง ภาพจะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนกับตัวอย่างขณะที่ลำแสงส่งผ่านตัวอย่าง จากนั้นภาพจะถูกขยายและโฟกัสไปยังอุปกรณ์สร้างภาพ เช่นจอเรืองแสงฟิล์มถ่ายภาพหรือตัวตรวจจับเช่นสารเรืองแสงที่ติดอยู่กับอุปกรณ์รับภาพแบบประจุไฟฟ้าหรือตัวตรวจจับอิเล็กตรอนโดยตรง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (Transmission electron microscope) สามารถสร้างภาพได้ด้วยความละเอียด สูง กว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง อย่างมาก เนื่องจากความยาวคลื่นเดอ บรอยล์ของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กกว่า ทำให้เครื่องมือนี้สามารถบันทึกรายละเอียดเล็กๆ ได้ แม้กระทั่งอะตอมเพียงแถวเดียว ซึ่งเล็กกว่าวัตถุที่มองเห็นได้ในกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงหลายพันเท่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านเป็นวิธีการวิเคราะห์ที่สำคัญในวิทยาศาสตร์กายภาพ เคมี และชีววิทยา มีการประยุกต์ใช้ในงานวิจัยโรคมะเร็งวิทยาไวรัสและวิทยาศาสตร์วัสดุรวมถึงมลพิษนาโนเทคโนโลยีและ การวิจัย เซมิคอนดักเตอร์แต่ยังรวมถึงสาขาอื่นๆ เช่นบรรพชีวินวิทยาและวิทยาละอองเรณูด้วย

เครื่องมือ TEM มีโหมดการทำงานหลายโหมด ได้แก่ การถ่ายภาพแบบดั้งเดิม การถ่ายภาพ TEM แบบสแกน (STEM) การเลี้ยวเบน สเปกโทรสโกปี และการผสมผสานของโหมดเหล่านี้ แม้แต่ในการถ่ายภาพแบบดั้งเดิม ก็ยังมีวิธีการสร้างความคมชัดที่แตกต่างกันหลายวิธี ซึ่งเรียกว่า "กลไกความคมชัดของภาพ" ความคมชัดอาจเกิดขึ้นจากความแตกต่างระหว่างตำแหน่งในความหนาหรือความหนาแน่น ("ความคมชัดของมวล-ความหนา") เลขอะตอม ("ความคมชัดของ Z" ซึ่งหมายถึงตัวย่อ Z ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเลขอะตอม) โครงสร้างผลึกหรือการวางแนว ("ความคมชัดทางผลึกศาสตร์" หรือ "ความคมชัดของการเลี้ยวเบน") การเปลี่ยนแปลงเฟสทางกลศาสตร์ควอนตัมเล็กน้อยที่อะตอมแต่ละตัวสร้างขึ้นในอิเล็กตรอนที่ผ่านเข้าไป ("ความคมชัดของเฟส") พลังงานที่อิเล็กตรอนสูญเสียไปเมื่อผ่านตัวอย่าง ("การถ่ายภาพสเปกตรัม") และอื่นๆ แต่ละกลไกจะบอกข้อมูลที่แตกต่างกันแก่ผู้ใช้ ขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่กลไกความคมชัดเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับวิธีการใช้งานกล้องจุลทรรศน์ด้วย เช่น การตั้งค่าเลนส์ รูรับแสง และตัวตรวจจับ สิ่งนี้หมายความว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) สามารถให้ข้อมูลที่มีความละเอียดระดับนาโนเมตรและอะตอมได้อย่างน่าทึ่ง ในกรณีที่ดีที่สุด ไม่เพียงแต่จะแสดงตำแหน่งของอะตอมทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังแสดงชนิดของอะตอมและวิธีการที่อะตอมเหล่านั้นเชื่อมต่อกันอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ TEM จึงถือเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับนาโนวิทยาในสาขาชีววิทยาและวัสดุศาสตร์

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) เครื่องแรกได้รับการสาธิตโดยMax KnollและErnst Ruskaในปี 1931 โดยกลุ่มนี้ได้พัฒนา TEM เครื่องแรกที่มีความละเอียดสูงกว่าแสงในปี 1933 และ TEM เชิงพาณิชย์เครื่องแรกในปี 1939 ในปี 1986 Ruska ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน^{[ 2 ]}

ในปี พ.ศ. 2416 Ernst Abbeเสนอว่าความสามารถในการแยกแยะรายละเอียดในวัตถุนั้นถูกจำกัดโดยประมาณด้วยความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ในการถ่ายภาพ หรือประมาณไม่กี่ร้อยนาโนเมตรสำหรับกล้องจุลทรรศน์แสงที่มองเห็นได้ การพัฒนา กล้องจุลทรรศน์ อัลตราไวโอเลต (UV) ซึ่งนำโดยKöhlerและRohrได้เพิ่มกำลังการแยกภาพขึ้นเป็นสองเท่า^{[ 3 ]}อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ต้องการเลนส์ควอตซ์ที่มีราคาแพง เนื่องจากแก้วดูดซับ UV เชื่อกันว่าการได้ภาพที่มีข้อมูลระดับต่ำกว่าไมโครเมตรนั้นเป็นไปไม่ได้เนื่องจากข้อจำกัดของความยาวคลื่นนี้^{[ 4 ]}

ในปี พ.ศ. 2491 พลูเกอร์ได้สังเกตการเบี่ยงเบนของ "รังสีแคโทด" ( อิเล็กตรอน ) โดยสนามแม่เหล็ก^{[ 5 ]}เฟอร์ดินานด์ บราวน์ได้ใช้ปรากฏการณ์นี้ในปี พ.ศ. 2440 เพื่อสร้างอุปกรณ์วัดแบบออสซิลโลสโคปแคโทดเรย์ (CRO) อย่างง่าย ^{[ 6 ]}ในปี พ.ศ. 2434 เอดูอาร์ด รีคเคอสังเกตเห็นว่ารังสีแคโทดสามารถโฟกัสได้ด้วยสนามแม่เหล็ก ทำให้สามารถออกแบบเลนส์แม่เหล็กไฟฟ้าแบบง่ายได้ ในปี พ.ศ. 2469 ฮันส์ บุช ได้ตีพิมพ์ผลงานที่ขยายทฤษฎีนี้และแสดงให้เห็นว่าสมการของผู้สร้างเลนส์สามารถนำไปใช้กับอิเล็กตรอนได้ โดยมีข้อสมมติที่เหมาะสม^{[ 2 ]}

ในปี ค.ศ. 1928 ที่วิทยาลัยเทคนิคชาร์ลอตเทนบูร์ก (ปัจจุบันคือมหาวิทยาลัยเทคนิคเบอร์ลิน ) อดอล์ฟ มัทธิอัส ศาสตราจารย์ด้านเทคโนโลยีแรงดันสูงและการติดตั้งระบบไฟฟ้า ได้แต่งตั้งแม็กซ์ โนลล์ให้เป็นหัวหน้าทีมวิจัยเพื่อพัฒนาการออกแบบ CRO ทีมประกอบด้วยนักศึกษาปริญญาเอกหลายคน รวมถึงเอิร์นสต์ รัสกาและโบโด ฟอน บอร์รีส์ทีมวิจัยได้ทำงานเกี่ยวกับการออกแบบเลนส์และการจัดวางคอลัมน์ CRO เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ในการสร้าง CRO ที่ดีขึ้น และสร้างส่วนประกอบอิเล็กตรอนออปติกเพื่อสร้างภาพที่มีกำลังขยายต่ำ (เกือบ 1:1) ในปี ค.ศ. 1931 กลุ่มประสบความสำเร็จในการสร้างภาพขยายของตะแกรงตาข่ายที่วางอยู่เหนือช่องเปิดของขั้วบวก อุปกรณ์นี้ใช้เลนส์แม่เหล็กสองตัวเพื่อให้ได้กำลังขยายที่สูงขึ้น ซึ่งอาจกล่าวได้ว่าเป็นการสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เครื่องแรก ในปีเดียวกันนั้นไรน์โฮลด์ รูเดนเบิร์กผู้อำนวยการฝ่ายวิทยาศาสตร์ของ บริษัท ซีเมนส์ได้จดสิทธิบัตรกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเลนส์ไฟฟ้าสถิต^{[ 4 ] [ 7 ]}

ในขณะนั้น อิเล็กตรอนถูกเข้าใจว่าเป็นอนุภาคของสสารที่มีประจุ ธรรมชาติของคลื่นของอิเล็กตรอนยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้จนกระทั่งวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของLouis de Broglieในปี 1924 ^{[ 8 ]}กลุ่มวิจัยของ Knoll ไม่ทราบถึงการตีพิมพ์นี้จนกระทั่งปี 1932 เมื่อพวกเขาตระหนักว่าความยาวคลื่น de Broglie ของอิเล็กตรอนนั้นเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงหลายอันดับ ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วจะทำให้สามารถสร้างภาพในระดับอะตอมได้ (แม้แต่สำหรับอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์เพียง 1 อิเล็กตรอนโวลต์ ความยาวคลื่นก็สั้นเพียง 1.18  นาโนเมตร ) ในเดือนเมษายน 1932 Ruska เสนอให้สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบใหม่สำหรับการสร้างภาพโดยตรงของตัวอย่างที่ใส่เข้าไปในกล้องจุลทรรศน์ แทนที่จะใช้ตะแกรงตาข่ายหรือภาพของช่องเปิดแบบง่ายๆ ด้วยอุปกรณ์นี้การเลี้ยวเบนและการสร้างภาพปกติของแผ่นอลูมิเนียมจึงประสบความสำเร็จ อย่างไรก็ตาม กำลังขยายที่ทำได้นั้นต่ำกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2476 ได้มีการขยายภาพที่สูงกว่าที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง โดยสามารถถ่ายภาพเส้นใยฝ้ายได้อย่างรวดเร็วก่อนที่จะถูกทำลายโดยลำแสงอิเล็กตรอน^{[ 4 ]}

ในเวลานี้ ความสนใจในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพิ่มมากขึ้น โดยมีกลุ่มอื่นๆ เช่น กลุ่มของ Paul Anderson และ Kenneth Fitzsimmons จากมหาวิทยาลัย Washington State ^{[ 9 ]}และกลุ่มของ Albert Prebus และJames Hillierที่มหาวิทยาลัย Torontoซึ่งสร้าง TEM เครื่องแรกในอเมริกาเหนือในปี 1935 และ 1938 ตามลำดับ^{[ 10 ]}พัฒนาการออกแบบ TEM อย่างต่อเนื่อง

การวิจัยเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนยังคงดำเนินต่อไปที่Siemensในปี 1936 โดยมีเป้าหมายของการวิจัยคือการพัฒนาและปรับปรุงคุณสมบัติการถ่ายภาพ TEM โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวกับตัวอย่างทางชีววิทยา ในช่วงเวลานี้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังถูกผลิตขึ้นสำหรับกลุ่มเฉพาะ เช่น อุปกรณ์ "EM1" ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์แห่งชาติของสหราชอาณาจักร^{[ 11 ]}ในปี 1939 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเชิงพาณิชย์เครื่องแรก ซึ่งมีภาพประกอบ ได้ถูกติดตั้งในแผนกฟิสิกส์ของIG Farben -Werke การทำงานเพิ่มเติมเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกขัดขวางโดยการทำลายห้องปฏิบัติการใหม่ที่สร้างขึ้นที่ Siemens จากการโจมตีทางอากาศรวมถึงการเสียชีวิตของนักวิจัยสองคน คือ Heinz Müller และ Friedrick Krause ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง^{[ 12 ]}

หลังสงครามโลกครั้งที่สอง รัสกาได้กลับมาทำงานที่ซีเมนส์อีกครั้ง โดยเขายังคงพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนต่อไป และผลิตกล้องจุลทรรศน์ตัวแรกที่มีกำลังขยาย 100,000 เท่า^{[ 12 ]}โครงสร้างพื้นฐานของการออกแบบกล้องจุลทรรศน์นี้ พร้อมด้วยเลนส์เตรียมลำแสงแบบหลายขั้นตอน ยังคงใช้ในกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ ชุมชนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทั่วโลกก้าวหน้าขึ้น โดยมีการผลิตกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในเมืองแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร สหรัฐอเมริกา (RCA) เยอรมนี (Siemens) และญี่ปุ่น (JEOL) การประชุมนานาชาติครั้งแรกเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจัดขึ้นที่เมืองเดลฟท์ในปี 1949 โดยมีผู้เข้าร่วมมากกว่าหนึ่งร้อยคน^{[ 11 ]}การประชุมครั้งต่อมา ได้แก่ การประชุมนานาชาติครั้งแรกที่ปารีสในปี 1950 และที่ลอนดอนในปี 1954

ด้วยการพัฒนา TEM เทคนิคที่เกี่ยวข้องอย่างการสแกนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (STEM) จึงได้รับการตรวจสอบใหม่และยังไม่ได้รับการพัฒนาจนกระทั่งถึงทศวรรษ 1970 โดยAlbert Creweที่มหาวิทยาลัยชิคาโกได้พัฒนาปืนปล่อยอิเล็กตรอนแบบสนาม^{[ 13 ]}และเพิ่มเลนส์วัตถุคุณภาพสูงเพื่อสร้าง STEM ที่ทันสมัย ​​ด้วยการออกแบบนี้ Crewe ได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสร้างภาพอะตอมโดยใช้การสร้างภาพแบบสนามมืดวงแหวน Crewe และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยชิคาโกได้พัฒนา แหล่ง กำเนิดอิเล็กตรอนแบบสนาม เย็น และสร้าง STEM ที่สามารถมองเห็นอะตอมหนักเดี่ยวบนพื้นผิวคาร์บอนบางได้^{[ 14 ]}

ตามทฤษฎีแล้ว ความละเอียดสูงสุดdที่สามารถได้รับจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงนั้นถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของโฟตอน ( λ ) และรูรับแสงเชิงตัวเลขNAของระบบ^{[ 15 ]}

${\displaystyle d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}}$

โดยที่nคือดัชนีหักเหของตัวกลางที่เลนส์ทำงานอยู่ และαคือครึ่งมุมสูงสุดของกรวยแสงที่สามารถเข้าสู่เลนส์ได้ (ดูรูรับแสงเชิงตัวเลข ) ^{[ 16 ]}นักวิทยาศาสตร์ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ได้ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับวิธีการเอาชนะข้อจำกัดของความยาวคลื่นที่ค่อนข้างมากของแสงที่มองเห็นได้ (ความยาวคลื่น 400–700 นาโนเมตร ) โดยใช้อิเล็กตรอน เช่นเดียวกับสสารทั้งหมด อิเล็กตรอนมีทั้งคุณสมบัติของคลื่นและอนุภาค ( คลื่นสสาร ) และคุณสมบัติคล้ายคลื่นของพวกมันหมายความว่าลำแสงอิเล็กตรอนสามารถโฟกัสและเลี้ยวเบนได้เช่นเดียวกับแสง ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนมีความสัมพันธ์กับพลังงานจลน์ของพวกมันผ่านสมการของเดอ บรอยล์ ซึ่งกล่าวว่าความยาวคลื่นแปรผกผันกับโมเมนตัม เมื่อพิจารณาผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ (เช่นใน TEM ความเร็วของอิเล็กตรอนเป็นเศษส่วนที่สำคัญของความเร็วแสง  c ^{[ 17 ]} ) ความยาวคลื่นคือ

${\displaystyle \lambda _{e}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}}$

โดยที่hคือ ค่าคง _ที่ของพลังค์ , m₀คือมวลนิ่งของอิเล็กตรอน และEคือพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งความเร็ว

จากบนลงล่าง TEM ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดการปล่อยหรือแคโทด ซึ่งอาจเป็น ไส้หลอด ทังสเตน ผลึก เดี่ยว แลนทานัมเฮกซาโบไร _ด์ ( LaB6 ) หรือ ปืนปล่อย อิเล็กตรอน แบบ สนาม^{[ 18 ]}ปืนเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดัน สูง (โดยทั่วไปประมาณ 100–300 kV) และปล่อยอิเล็กตรอนโดยการปล่อยอิเล็กตรอนแบบเทอร์มิออนิกหรือ แบบสนาม เข้าไปในสุญญากาศ ในกรณีของแหล่งกำเนิดเทอร์มิออนิก แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนจะถูกติดตั้งในกระบอก Wehneltเพื่อให้โฟกัสเบื้องต้นของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาเป็นลำแสง ในขณะเดียวกันก็รักษาเสถียรภาพของกระแสโดยใช้วงจรป้อนกลับแบบพาสซีฟ แหล่งกำเนิดการปล่อยอิเล็กตรอนแบบสนามจะใช้อิเล็กโทรดไฟฟ้าสถิตที่เรียกว่าตัวสกัด ตัวระงับ และเลนส์ปืน โดยมีแรงดันไฟฟ้าต่างกันในแต่ละตัว เพื่อควบคุมรูปร่างและความเข้มของสนามไฟฟ้าใกล้ปลายแหลม การรวมกันของแคโทดและองค์ประกอบเลนส์ไฟฟ้าสถิตชุดแรกเหล่านี้เรียกรวมกันว่า " ปืนอิเล็กตรอน " หลังจากออกจากปืน ลำแสงจะถูกเร่งความเร็วจนถึงระดับแรงดันไฟฟ้าสุดท้ายและเข้าสู่ส่วนถัดไปของกล้องจุลทรรศน์: ระบบเลนส์คอนเดนเซอร์ เลนส์ด้านบนของ TEM เหล่านี้จะโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอนให้ได้ขนาดและตำแหน่งที่ต้องการบนตัวอย่าง^{[ 19 ]}

การควบคุมลำอิเล็กตรอนนั้นใช้หลักการทางฟิสิกส์สองประการ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับสนามแม่เหล็กจะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตามกฎมือซ้ายซึ่งทำให้แม่เหล็กไฟฟ้าสามารถควบคุมลำอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้สนามไฟฟ้าสถิตยังสามารถทำให้อิเล็กตรอนเบี่ยงเบนไปในมุมคงที่ การรวมกันของการเบี่ยงเบนสองทิศทางที่ตรงกันข้ามโดยมีช่องว่างเล็กๆ อยู่ตรงกลางจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในเส้นทางของลำอิเล็กตรอน ส่งผลให้สามารถเปลี่ยนทิศทางของลำอิเล็กตรอนได้

เลนส์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) คือสิ่งที่ทำให้กล้องจุลทรรศน์นี้มีความยืดหยุ่นในการทำงานหลายโหมด และสามารถโฟกัสลำแสงลงไปถึงระดับอะตอมและขยายภาพได้ เลนส์มักทำจากขดลวดโซลีนอยด์ที่ล้อมรอบด้วย วัสดุ เฟอร์โรแมกเนติกซึ่งออกแบบมาเพื่อรวมสนามแม่เหล็กของขดลวดให้เป็นรูปทรงที่แม่นยำและจำกัด เมื่ออิเล็กตรอนเข้าและออกจากสนามแม่เหล็กนี้ มันจะหมุนวนรอบเส้นสนามแม่เหล็กโค้งในลักษณะที่คล้ายกับเลนส์แก้วธรรมดาที่ใช้กับแสง นั่นคือเป็นเลนส์รวมแสง แต่ต่างจากเลนส์แก้ว เลนส์แม่เหล็กสามารถเปลี่ยนกำลังการโฟกัสได้ง่ายมากโดยการปรับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวด

ส่วนประกอบที่สำคัญไม่แพ้เลนส์ก็คือรูรับแสง รูรับแสงเหล่านี้เป็นรูวงกลมในแถบโลหะหนาบางๆ บางส่วนมีขนาดและตำแหน่งคงที่ และมีบทบาทสำคัญในการจำกัดการเกิดรังสีเอ็กซ์และปรับปรุงประสิทธิภาพของสุญญากาศ ส่วนรูรับแสงอื่นๆ สามารถเปลี่ยนขนาดและปรับตำแหน่งได้อย่างอิสระ รูรับแสงแบบปรับได้หลังตัวอย่างช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกช่วงของตำแหน่งเชิงพื้นที่หรือ มุม การกระเจิงของอิเล็กตรอนที่จะใช้ในการสร้างภาพหรือรูปแบบการเลี้ยวเบนได้

ระบบอิเล็กตรอนออปติกยังประกอบด้วยตัวเบี่ยงลำแสงและตัวปรับความคลาดเคลื่อน ซึ่งโดยทั่วไปทำจากแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดเล็ก ตัวเบี่ยงลำแสงช่วยให้สามารถควบคุมตำแหน่งและมุมของลำแสงที่ตำแหน่งตัวอย่างได้อย่างอิสระ และยังช่วยให้ลำแสงอยู่ใกล้กับจุดศูนย์กลางความคลาดเคลื่อนต่ำของเลนส์แต่ละตัวในชุดเลนส์ ตัวปรับความคลาดเคลื่อนจะชดเชยความไม่สมบูรณ์และความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยที่ทำให้เกิดภาวะสายตาเอียง—เลนส์ที่มีกำลังโฟกัสแตกต่างกันในทิศทางต่างๆ

โดยทั่วไป TEM ประกอบด้วยเลนส์สามขั้นตอน ได้แก่ เลนส์คอนเดนเซอร์ เลนส์วัตถุ และเลนส์โปรเจคเตอร์ เลนส์คอนเดนเซอร์มีหน้าที่สร้างลำแสงหลัก ในขณะที่เลนส์วัตถุจะโฟกัสลำแสงที่ผ่านตัวอย่าง (ในโหมดการสแกน STEM จะมีเลนส์วัตถุอยู่เหนือตัวอย่างเพื่อทำให้ลำแสงอิเล็กตรอนที่ตกกระทบมาบรรจบกัน) เลนส์โปรเจคเตอร์ใช้เพื่อขยายลำแสงไปยังหน้าจอฟอสฟอร์หรืออุปกรณ์สร้างภาพอื่นๆ เช่น ฟิล์ม กำลังขยายของ TEM เกิดจากอัตราส่วนของระยะห่างระหว่างตัวอย่างและระนาบภาพของเลนส์วัตถุ^{[ 20 ]}การกำหนดค่าทางแสงของ TEM แตกต่างกันอย่างมากในการใช้งาน โดยผู้ผลิตใช้การกำหนดค่าเลนส์แบบกำหนดเอง เช่น ในเครื่องมือที่แก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลม^{[ 19 ]} หรือ TEM ที่ ใช้การกรองพลังงานเพื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนสี ของอิเล็กตรอน

ทฤษฎีบทการผกผันทางแสง หรือหลักการผกผันของเฮล์มโฮลทซ์โดยทั่วไปแล้วเป็นจริงสำหรับอิเล็กตรอนที่กระเจิงแบบยืดหยุ่น ซึ่งมักจะเป็นกรณีภายใต้เงื่อนไขการทำงาน TEM มาตรฐาน ^{[ 21 ] [ 22 ]}ทฤษฎีบทนี้ระบุว่าแอมพลิจูดของคลื่น ณ จุด B อันเป็นผลมาจากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนแบบจุด A จะเท่ากับแอมพลิจูดที่ A อันเนื่องมาจากแหล่งกำเนิดแบบจุดที่เทียบเท่ากันซึ่งวางไว้ที่ B ^{[ 22 ]}กล่าวโดยง่ายคือ ฟังก์ชันคลื่นสำหรับอิเล็กตรอนที่โฟกัสผ่านชุดส่วนประกอบทางแสงใดๆ ที่ประกอบด้วยสนามสเกลาร์เท่านั้น (เช่น ไม่ใช่สนามแม่เหล็ก) จะเทียบเท่ากันอย่างแน่นอนหากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนและจุดสังเกตกลับกัน

หลักการแลกเปลี่ยนซึ่งกันและกันถูกนำมาใช้เพื่อทำความเข้าใจกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (STEM) ในบริบทที่คุ้นเคยของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน ( TEM) และเพื่อสร้างและตีความภาพโดยใช้ STEM

ปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาในการตรวจจับอิเล็กตรอน ได้แก่ประสิทธิภาพควอนตัมการตรวจจับ (DQE)ฟังก์ชันการกระจายจุด (PSF)ฟังก์ชันการถ่ายโอนการมอดูเลชัน (MTF)ขนาดพิกเซลและขนาดอาร์เรย์ สัญญาณรบกวน ความเร็วในการอ่านข้อมูล และความทนทานต่อรังสี^{[ 23 ]}

ระบบการถ่ายภาพใน TEM ประกอบด้วยหน้าจอฟอสฟอร์ซึ่งอาจทำจากอนุภาคซิงค์ซัลไฟด์ ละเอียด (10–100 μm) สำหรับการสังเกตโดยตรงโดยผู้ปฏิบัติงาน และระบบบันทึกภาพ เช่นฟิล์มถ่ายภาพ [ ^{24 ] CCD}ที่เชื่อมต่อกับหน้าจอYAGที่เจือสาร^{[ 25 ]}หรือตัวตรวจจับดิจิทัลอื่นๆ^{[ 23 ]}โดยทั่วไป อุปกรณ์เหล่านี้สามารถถอดออกหรือใส่เข้าไปในเส้นทางลำแสงได้ตามต้องการ (ปัจจุบันไม่ได้ใช้ฟิล์มถ่ายภาพแล้ว) รายงานฉบับแรกเกี่ยวกับการใช้ ตัวตรวจจับ Charge-Coupled Device (CCD)สำหรับ TEM อยู่ในปี 1982 ^{[ 26 ]}แต่เทคโนโลยีนี้ยังไม่แพร่หลายจนกระทั่งช่วงปลายทศวรรษ 1990/ต้นทศวรรษ 2000 ^{[ 27 ]}เซ็นเซอร์พิกเซลแอคทีฟแบบโมโนลิธิก(MAPS) ก็ถูกนำมาใช้ใน TEM เช่นกัน^{[ 28 ]} เครื่องตรวจ จับ CMOSซึ่งเร็วกว่าและทนต่อความเสียหายจากรังสีได้ดีกว่า CCD ได้ถูกนำมาใช้กับ TEM ตั้งแต่ปี 2005 ^{[ 29 ] [ 30 ]}ในช่วงต้นทศวรรษ 2010 การพัฒนาเทคโนโลยี CMOS เพิ่มเติมทำให้สามารถตรวจจับการนับอิเล็กตรอนเดี่ยวได้ ("โหมดการนับ") ^{[ 31 ] [ 32 ]}เครื่องตรวจจับอิเล็กตรอนโดยตรงเหล่านี้มีจำหน่ายจากGatan , FEI , Quantum DetectorsและDirect Electron ^{[ 28 ]}

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่าง ได้แก่ ระบบสุญญากาศที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่าน แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนสำหรับสร้างกระแสอิเล็กตรอน ชุดเลนส์แม่เหล็กไฟฟ้า และแผ่นไฟฟ้าสถิต สองส่วนหลังนี้ช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถควบคุมและจัดการลำแสงได้ตามต้องการ นอกจากนี้ยังต้องมีอุปกรณ์สำหรับใส่ เคลื่อนย้าย และนำชิ้นงานออกจากเส้นทางลำแสง จากนั้นจึงใช้อุปกรณ์สร้างภาพเพื่อสร้างภาพจากอิเล็กตรอนที่ออกจากระบบ

เพื่อเพิ่มระยะทางเฉลี่ยอิสระของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับก๊าซ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) มาตรฐานจะถูกดูดอากาศออกจนมีความดันต่ำ โดยทั่วไปจะอยู่ในระดับประมาณ10 ⁻⁴  Pa . ^{[ 33 ]}ความจำเป็นสำหรับสิ่งนี้มีสองประการ ประการแรกคือการอนุญาตให้มีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างแคโทดและกราวด์โดยไม่ก่อให้เกิดประกายไฟ และประการที่สองคือการลดความถี่การชนกันของอิเล็กตรอนกับอะตอมของก๊าซให้อยู่ในระดับที่น้อยมาก—ผลกระทบนี้มีลักษณะเฉพาะโดยระยะทางอิสระเฉลี่ยส่วนประกอบของ TEM เช่น ตัวยึดชิ้นงานและตลับฟิล์มจะต้องถูกใส่หรือเปลี่ยนเป็นประจำ ซึ่งต้องใช้ระบบที่มีความสามารถในการดูดอากาศออกเป็นประจำ ดังนั้น TEM จึงติดตั้งระบบปั๊มและแอร์ล็อคหลายระบบ และไม่ได้ปิดผนึกสุญญากาศอย่างถาวร

ระบบสุญญากาศสำหรับดูดอากาศออกจาก TEM ให้ได้ระดับความดันใช้งานนั้นประกอบด้วยหลายขั้นตอน ในขั้นต้น จะสร้างสุญญากาศระดับต่ำหรือระดับหยาบโดยใช้ปั๊มใบพัดหมุนหรือปั๊มไดอะแฟรมเพื่อสร้างความดันที่ต่ำเพียงพอที่จะอนุญาตให้ ปั๊ม เทอร์โบโมเลกุลหรือปั๊มดิฟฟิวชัน ทำงาน เพื่อสร้างระดับสุญญากาศสูงที่จำเป็นสำหรับการทำงาน เพื่อให้ปั๊มสุญญากาศระดับต่ำไม่จำเป็นต้องทำงานอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลทำงานอย่างต่อเนื่อง ด้านสุญญากาศของปั๊มแรงดันต่ำอาจเชื่อมต่อกับห้องที่รองรับก๊าซไอเสียจากปั๊มเทอร์โบโมเลกุล^{[ 34 ]}ส่วนต่างๆ ของ TEM อาจถูกแยกออกโดยใช้ช่องเปิดที่จำกัดความดันเพื่อให้มีระดับสุญญากาศที่แตกต่างกันในพื้นที่เฉพาะ เช่น สุญญากาศที่สูงขึ้น 10 ⁻⁴ถึง 10 ⁻⁷ Pa หรือสูงกว่าในปืนอิเล็กตรอนใน TEM ความละเอียดสูงหรือแบบปล่อยสนาม

TEM แรงดันสูงต้องการสุญญากาศสูงมากในช่วง 10 ⁻⁷ถึง 10 ⁻⁹ Pa เพื่อป้องกันการเกิดประกายไฟ โดยเฉพาะที่แคโทดของ TEM ^{[ 35 ]}ดังนั้นสำหรับ TEM แรงดันสูง อาจต้องใช้ระบบสุญญากาศที่สาม โดยแยกปืนออกจากห้องหลักด้วยวาล์วประตูหรือช่องปั๊มแบบแยกส่วน ซึ่งเป็นรูเล็กๆ ที่ป้องกันการแพร่กระจายของโมเลกุลก๊าซเข้าไปในบริเวณปืนที่มีสุญญากาศสูงกว่าได้เร็วกว่าที่จะสูบออกได้ สำหรับแรงดันต่ำมากเหล่านี้จะใช้ ปั๊มไอออนหรือ วัสดุ เก็ตเตอร์

สุญญากาศที่ไม่ดีใน TEM อาจทำให้เกิดปัญหาหลายประการ ตั้งแต่การสะสมของก๊าซภายใน TEM บนชิ้นงานขณะดูในกระบวนการที่เรียกว่าการสะสมที่เกิดจากลำแสงอิเล็กตรอนไปจนถึงความเสียหายของแคโทดที่รุนแรงกว่าซึ่งเกิดจากการปล่อยประจุไฟฟ้า^{[ 35 ]}การใช้กับดักความเย็นเพื่อดูดซับก๊าซที่ระเหิดในบริเวณใกล้เคียงกับชิ้นงานช่วยขจัดปัญหาสุญญากาศที่เกิดจากการระเหิดของ ชิ้นงานได้อย่างมาก ^{[ 34 ]}

การออกแบบแท่นวางตัวอย่างสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ประกอบด้วยระบบล็อกอากาศเพื่อให้สามารถใส่ที่ยึดตัวอย่างเข้าไปในสุญญากาศโดยมีการสูญเสียสุญญากาศในส่วนอื่นๆ ของกล้องจุลทรรศน์น้อยที่สุด ที่ยึดตัวอย่างจะยึดแผ่นตะแกรงตัวอย่างขนาดมาตรฐานหรือตัวอย่างแบบตั้งได้เอง ขนาดตะแกรง TEM มาตรฐานคือเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.05 มม. โดยมีความหนาและขนาดตาข่ายตั้งแต่ไม่กี่ไมโครเมตรถึง 100 ไมโครเมตร ตัวอย่างจะถูกวางลงบนพื้นที่ตาข่ายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2.5 มม. วัสดุที่ใช้ทำตะแกรงโดยทั่วไปคือทองแดง โมลิบเดนัม ทอง หรือแพลทินัม ตะแกรงนี้จะถูกวางลงในที่ยึดตัวอย่างซึ่งจับคู่กับแท่นวางตัวอย่าง มีการออกแบบแท่นวางและที่ยึดตัวอย่างที่หลากหลาย ขึ้นอยู่กับประเภทของการทดลองที่กำลังดำเนินการ นอกเหนือจากตะแกรงขนาด 3.05 มม. แล้ว บางครั้งอาจมีการใช้ตะแกรงขนาด 2.3 มม. บ้าง แต่ก็พบได้น้อย ตะแกรงเหล่านี้ถูกใช้เป็นพิเศษในวิทยาศาสตร์แร่ธาตุ ซึ่งอาจต้องการการเอียงในระดับสูง และวัสดุตัวอย่างอาจหายากมาก ตัวอย่างที่โปร่งแสงต่ออิเล็กตรอนโดยทั่วไปมีความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตร แต่ค่านี้ขึ้นอยู่กับแรงดันเร่งอนุภาค

เมื่อใส่ตัวอย่างเข้าไปในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) แล้ว จะต้องทำการปรับตำแหน่งตัวอย่างเพื่อให้ลำแสงตกกระทบในบริเวณที่สนใจ เช่น ใน การเลี้ยวเบนของ อนุภาค เดี่ยว ในทิศทางที่เฉพาะเจาะจง เพื่อรองรับสิ่งนี้ แท่นวางตัวอย่างใน TEM จึงอนุญาตให้เคลื่อนที่ตัวอย่างในระนาบ XY ปรับความสูงในแกน Z และโดยทั่วไปแล้วจะเอียงได้ในทิศทางเดียวขนานกับแกนของตัวยึดแบบเข้าด้านข้าง การหมุนตัวอย่างอาจทำได้ในตัวยึดและแท่นวางตัวอย่างแบบพิเศษสำหรับการเลี้ยวเบน TEM รุ่นใหม่บางรุ่นมีคุณสมบัติในการเคลื่อนที่แบบเอียงสองมุมตั้งฉากกันด้วยการออกแบบตัวยึดตัวอย่างแบบพิเศษที่เรียกว่าตัวยึดตัวอย่างแบบเอียงสองมุม การออกแบบแท่นวางบางแบบ เช่น แท่นวางแบบเข้าด้านบนหรือแบบใส่ในแนวตั้ง ซึ่งเคยใช้กันทั่วไปในการศึกษา TEM ที่มีความละเอียดสูง อาจมีเพียงการเคลื่อนที่ในระนาบ XY เท่านั้น เกณฑ์การออกแบบแท่นวางตัวอย่างใน TEM นั้นซับซ้อน เนื่องจากข้อกำหนดพร้อมกันของข้อจำกัดทางกลและทางอิเล็กตรอน-ออปติก และมีแบบจำลองเฉพาะสำหรับวิธีการต่างๆ กัน

แท่นวาง TEM จำเป็นต้องมีความสามารถในการยึดชิ้นงานและควบคุมเพื่อนำบริเวณที่สนใจเข้าสู่เส้นทางของลำแสงอิเล็กตรอน เนื่องจาก TEM สามารถทำงานได้ในช่วงกำลังขยายที่กว้าง แท่นวางจึงต้องมีความทนทานต่อการเคลื่อนตัวทางกลสูง โดยมีข้อกำหนดการเคลื่อนตัวต่ำเพียงไม่กี่นาโนเมตรต่อนาที ในขณะที่สามารถเคลื่อนที่ได้หลายไมโครเมตรต่อนาที ด้วยความแม่นยำในการจัดตำแหน่งใหม่ในระดับนาโนเมตร^{[ 36 ]}การออกแบบ TEM รุ่นก่อนๆ บรรลุเป้าหมายนี้ด้วยชุดอุปกรณ์เฟืองทดกำลังทางกลที่ซับซ้อน ทำให้ผู้ใช้งานสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของแท่นวางได้อย่างละเอียดด้วยแท่งหมุนหลายแท่ง อุปกรณ์ที่ทันสมัยอาจใช้การออกแบบแท่นวางแบบไฟฟ้า โดยใช้เฟืองเกลียวร่วมกับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ทำให้ผู้ใช้งานสามารถป้อนข้อมูลแท่นวางผ่านคอมพิวเตอร์ เช่นจอยสติ๊กหรือแทร็กบอล

มีการออกแบบหลักสองแบบสำหรับแท่นวางใน TEM ได้แก่ แบบเข้าด้านข้างและแบบเข้าด้านบน^{[ 25 ]}การออกแบบแต่ละแบบต้องรองรับตัวยึดที่เข้ากันเพื่อให้สามารถใส่ชิ้นงานได้โดยไม่ทำให้เลนส์ TEM ที่ละเอียดอ่อนเสียหายหรือปล่อยให้ก๊าซเข้าไปในระบบ TEM ภายใต้สุญญากาศ

ตัวยึดชิ้นงานแบบเข้าด้านข้างเป็นแบบที่พบได้บ่อยที่สุด โดยวางชิ้นงานไว้ใกล้ปลายแท่งโลหะยาว (ทองเหลืองหรือสแตนเลส) โดยวางชิ้นงานราบลงในรูเล็กๆ ตลอดแท่งจะมีวงแหวนสุญญากาศโพลีเมอร์หลายวง เพื่อช่วยในการสร้างสุญญากาศที่มีคุณภาพเพียงพอเมื่อใส่เข้าไปในแท่นวาง แท่นวางจึงได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับแท่ง โดยวางชิ้นงานไว้ระหว่างหรือใกล้เลนส์วัตถุ ขึ้นอยู่กับการออกแบบของเลนส์วัตถุ เมื่อใส่เข้าไปในแท่นวาง ปลายของตัวยึดชิ้นงานแบบเข้าด้านข้างจะอยู่ภายในสุญญากาศของ TEM และฐานจะสัมผัสกับบรรยากาศภายนอก โดยมีช่องอากาศที่เกิดจากวงแหวนสุญญากาศ

โดยทั่วไป ขั้นตอนการใส่ตัวอย่างสำหรับตัวยึด TEM แบบเข้าด้านข้าง จะเกี่ยวข้องกับการหมุนตัวอย่างเพื่อกระตุ้นสวิตช์ขนาดเล็กซึ่งจะเริ่มการดูดอากาศออกจากห้องล็อกอากาศก่อนที่จะใส่ตัวอย่างเข้าไปในคอลัมน์ TEM

การออกแบบแบบที่สองคือตัวยึดแบบเข้าด้านบน ซึ่งประกอบด้วยตลับที่มีความยาวหลายเซนติเมตร โดยมีรูเจาะตามแนวแกนของตลับ ชิ้นงานจะถูกใส่เข้าไปในรู โดยอาจใช้แหวนสกรูขนาดเล็กเพื่อยึดชิ้นงานไว้ ตลับนี้จะถูกใส่เข้าไปในแอร์ล็อคโดยให้รูตั้งฉากกับแกนออปติกของ TEM เมื่อปิดผนึกแล้ว แอร์ล็อคจะถูกควบคุมเพื่อดันตลับให้ตกลงไปในตำแหน่งที่รูจะอยู่ในแนวเดียวกับแกนลำแสง ทำให้ลำแสงเดินทางลงไปตามรูของตลับและเข้าไปในชิ้นงาน การออกแบบดังกล่าวโดยทั่วไปไม่สามารถเอียงได้โดยไม่ปิดกั้นเส้นทางของลำแสงหรือรบกวนเลนส์วัตถุ^{[ 25 ]}

ปืนอิเล็กตรอนประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่าง ได้แก่ ไส้หลอด วงจรไบแอส ฝาครอบเวห์เนลต์ และขั้วบวกดึงอิเล็กตรอน โดยการเชื่อมต่อไส้หลอดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟของส่วนประกอบด้านลบ อิเล็กตรอนจะถูก "ปั๊ม" จากปืนอิเล็กตรอนไปยังแผ่นขั้วบวกและคอลัมน์ TEM ทำให้วงจรสมบูรณ์ ปืนถูกออกแบบมาเพื่อสร้างลำแสงอิเล็กตรอนที่ออกจากชุดประกอบในมุมที่กำหนด ซึ่งเรียกว่ามุมกึ่งเบี่ยงเบนของปืน α โดยการสร้างกระบอกเวห์เนลต์ให้มีประจุลบสูงกว่าไส้หลอด อิเล็กตรอนที่ออกจากไส้หลอดในลักษณะเบี่ยงเบนจะถูกบังคับให้รวมตัวกันในรูปแบบที่มีขนาดเล็กที่สุดคือเส้นผ่านศูนย์กลางจุดตัดของปืน ภายใต้การทำงานที่ถูกต้อง

ความหนาแน่นกระแสการปล่อยเทอร์มิออนิกJสามารถเชื่อมโยงกับฟังก์ชันงานของวัสดุที่ปล่อยอิเล็กตรอนได้โดยใช้กฎของริชาร์ดสัน

${\displaystyle J=AT^{2}\exp \left({\frac {-\Phi }{kT}}\right),}$

โดยที่Aคือ ค่าคงที่ ของริชาร์ดสัน Φ คือฟังก์ชันงาน และTคืออุณหภูมิของวัสดุ^{[ 25 ]}

สมการนี้แสดงให้เห็นว่าเพื่อให้ได้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่เพียงพอ จำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ตัวปล่อย โดยต้องระมัดระวังไม่ให้เกิดความเสียหายจากการใช้ความร้อนมากเกินไป ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ทังสเตน หรือวัสดุที่มีฟังก์ชันงานต่ำ (LaB6 ₎สำหรับไส้หลอดปืน^{[ 37 ]}นอกจากนี้ แหล่งกำเนิดเทอร์มิออนิกทั้งแลนทานัมเฮกซาโบไรด์และทังสเตนจะต้องได้รับความร้อนเพื่อให้เกิดการปล่อยเทอร์มิออนิก ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้แถบต้านทานขนาดเล็ก เพื่อป้องกันการช็อกทางความร้อน มักมีการหน่วงเวลาในการจ่ายกระแสไฟฟ้าไปยังปลาย เพื่อป้องกันไม่ให้ความแตกต่างของอุณหภูมิทำลายไส้หลอด การหน่วงเวลามักจะเป็นไม่กี่วินาทีสำหรับ LaB6 _และน้อยกว่ามากสำหรับทังสเตน

เลนส์อิเล็กตรอนได้รับการออกแบบให้ทำงานในลักษณะที่เลียนแบบเลนส์ออปติคอล โดยการโฟกัสอิเล็กตรอนขนานที่ระยะโฟกัสคงที่ เลนส์อิเล็กตรอนอาจทำงานด้วยไฟฟ้าสถิตหรือแม่เหล็ก เลนส์อิเล็กตรอนส่วนใหญ่สำหรับ TEM ใช้ ขดลวด แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างเลนส์นูนสนามที่สร้างขึ้นสำหรับเลนส์ต้องมีความสมมาตรตามแนวรัศมี เนื่องจากการเบี่ยงเบนจากความสมมาตรตามแนวรัศมีของเลนส์แม่เหล็กทำให้เกิดความคลาดเคลื่อน เช่นสายตาเอียงและทำให้ ความคลาดเคลื่อน ทรงกลมและความคลาดเคลื่อนสี แย่ลง เลนส์อิเล็กตรอนผลิตจากเหล็ก เหล็ก-โคบอลต์ หรือโลหะผสมนิกเกล-โคบอลต์^{[ 38 ]}เช่นเพอร์มัลลอยวัสดุเหล่านี้ถูกเลือกเนื่องจากคุณสมบัติทางแม่เหล็ก เช่นความอิ่มตัวของแม่เหล็กฮิสเทอรีซิสและ การซึมผ่าน

ส่วนประกอบต่างๆ ได้แก่ โครงยึด ขดลวดแม่เหล็ก ขั้วแม่เหล็ก ชิ้นส่วนขั้วแม่เหล็ก และวงจรควบคุมภายนอก ชิ้นส่วนขั้วแม่เหล็กต้องผลิตในลักษณะสมมาตรอย่างมาก เนื่องจากเป็นตัวกำหนดเงื่อนไขขอบเขตของสนามแม่เหล็กที่สร้างเลนส์ ความไม่สมบูรณ์ในการผลิตชิ้นส่วนขั้วแม่เหล็กอาจทำให้เกิดการบิดเบือนอย่างรุนแรงในความสมมาตรของสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะทำให้เกิดการบิดเบือนที่ในที่สุดจะจำกัดความสามารถของเลนส์ในการสร้างระนาบวัตถุ ขนาดที่แน่นอนของช่องว่าง เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของชิ้นส่วนขั้วแม่เหล็ก และความเรียว รวมถึงการออกแบบโดยรวมของเลนส์ มักจะดำเนินการโดยการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดของสนามแม่เหล็ก โดยคำนึงถึงข้อจำกัดทางความร้อนและไฟฟ้าของการออกแบบด้วย^{[ 38 ]}

ขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็กตั้งอยู่ภายในโครงเลนส์ ขดลวดเหล่านี้สามารถบรรจุกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงได้ แต่โดยทั่วไปจะใช้แรงดันไฟฟ้าสูง ดังนั้นจึงต้องมีการหุ้มฉนวนอย่างดีเพื่อป้องกันการลัดวงจรของส่วนประกอบเลนส์ มีการติดตั้งตัวกระจายความร้อนเพื่อให้แน่ใจว่าความร้อนที่เกิดจากพลังงานที่สูญเสียไปกับความต้านทานของขดลวดถูกระบายออกไป ขดลวดอาจระบายความร้อนด้วยน้ำ โดยใช้น้ำเย็นเพื่อช่วยในการระบายความร้อนสูง

ช่องเปิดเป็นแผ่นโลหะรูปวงแหวน ซึ่งสามารถกีดกันอิเล็กตรอนที่อยู่ห่างจาก แกนแสงเกินระยะที่กำหนดได้ ช่องเปิดเหล่านี้ประกอบด้วยแผ่นโลหะขนาดเล็กที่มีความหนาเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนผ่านแผ่นโลหะได้ ในขณะที่ยอมให้อิเล็กตรอนตามแนวแกนผ่านได้ การอนุญาตให้อิเล็กตรอนตรงกลางผ่านใน TEM ทำให้เกิดผลสองประการพร้อมกัน ประการแรก ช่องเปิดจะลดความเข้มของลำแสงลง เนื่องจากอิเล็กตรอนถูกกรองออกจากลำแสง ซึ่งอาจเป็นที่ต้องการในกรณีของตัวอย่างที่ไวต่อลำแสง ประการที่สอง การกรองนี้จะกำจัดอิเล็กตรอนที่กระเจิงไปในมุมสูง ซึ่งอาจเกิดจากกระบวนการที่ไม่พึงประสงค์ เช่น ความคลาดเคลื่อนทรงกลมหรือความคลาดเคลื่อนสี หรือเนื่องจากการเลี้ยวเบนจากปฏิสัมพันธ์ภายในตัวอย่าง^{[ 39 ]}

ช่องรับแสงอาจเป็นช่องรับแสงคงที่ภายในคอลัมน์ เช่น ที่เลนส์รวมแสง หรืออาจเป็นช่องรับแสงที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งสามารถสอดเข้าหรือดึงออกจากเส้นทางลำแสง หรือเคลื่อนที่ในระนาบตั้งฉากกับเส้นทางลำแสงได้ ชุดประกอบช่องรับแสงเป็นอุปกรณ์เชิงกลที่ช่วยให้สามารถเลือกขนาดช่องรับแสงที่แตกต่างกันได้ ซึ่งผู้ใช้งานสามารถใช้เพื่อปรับสมดุลระหว่างความเข้มและผลการกรองของช่องรับแสง ชุดประกอบช่องรับแสงมักติดตั้งไมโครมิเตอร์เพื่อเคลื่อนช่องรับแสง ซึ่งจำเป็นในระหว่างการสอบเทียบทางแสง

วิธีการสร้างภาพใน TEM ใช้ข้อมูลที่มีอยู่ในคลื่นอิเล็กตรอนที่ออกจากตัวอย่างเพื่อสร้างภาพ เลนส์โปรเจ็กเตอร์ช่วยให้สามารถวางตำแหน่งการกระจายคลื่นอิเล็กตรอนนี้บนระบบการมองเห็นได้อย่างถูกต้อง ความเข้มที่สังเกตได้Iของภาพ โดยสมมติว่าอุปกรณ์สร้างภาพมีคุณภาพสูงเพียงพอ สามารถประมาณได้ว่าเป็นสัดส่วนกับค่าสัมบูรณ์กำลังสองเฉลี่ยตามเวลาของแอมพลิจูดของฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอน โดยที่คลื่นที่สร้างลำแสงขาออกจะถูกแทนด้วย Ψ ^{[ 40 ]}

${\displaystyle I(x)={\frac {k}{t_{1}-t_{0}}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}\Psi \Psi ^{\mathrm {*} }\,dt}$

ดังนั้นวิธีการสร้างภาพที่แตกต่างกันจึงพยายามปรับเปลี่ยนคลื่นอิเล็กตรอนที่ออกจากตัวอย่างในลักษณะที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างหรือลำแสงเอง จากสมการก่อนหน้านี้ สามารถอนุมานได้ว่าภาพที่สังเกตได้นั้นขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่แอมพลิจูดของลำแสงเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับเฟสของอิเล็กตรอนด้วย แม้ว่าผลกระทบของเฟสอาจถูกละเลยได้ในการขยายภาพต่ำ การสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงขึ้นต้องใช้ตัวอย่างที่บางกว่าและพลังงานของอิเล็กตรอนที่ตกกระทบสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าตัวอย่างไม่สามารถพิจารณาได้ว่าดูดซับอิเล็กตรอนอีกต่อไป (เช่น ผ่านผลกระทบของกฎของเบียร์) แต่ตัวอย่างสามารถจำลองได้ว่าเป็นวัตถุที่ไม่เปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดของฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอนที่เข้ามา แต่ปรับเปลี่ยนเฟสของคลื่นที่เข้ามาแทน ในแบบจำลองนี้ ตัวอย่างเรียกว่าวัตถุเฟสบริสุทธิ์ สำหรับตัวอย่างที่บางมากพอ ผลกระทบของเฟสจะครอบงำภาพ ทำให้การวิเคราะห์ความเข้มที่สังเกตได้ซับซ้อนขึ้น^{[ 40 ]}เพื่อปรับปรุงความคมชัดในภาพ TEM อาจทำงานที่การเบลอภาพเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความคมชัด เนื่องจากการบิดเบือนโดยฟังก์ชันการถ่ายโอนความคมชัดของ TEM ^{[ 41 ]}ซึ่งโดยปกติจะลดความคมชัดลงหากตัวอย่างไม่ใช่วัตถุเฟสอ่อน

ภาพทางด้านขวามือแสดงโหมดการทำงานพื้นฐานสองโหมดของ TEM ได้แก่ โหมดการถ่ายภาพและโหมดการเลี้ยวเบน ในทั้งสองกรณี ตัวอย่างจะถูกส่องสว่างด้วยลำแสงขนาน ซึ่งเกิดจากการปรับรูปร่างลำแสงอิเล็กตรอนด้วยระบบเลนส์คอนเดนเซอร์และช่องรับแสงคอนเดนเซอร์ หลังจากที่อิเล็กตรอนทำปฏิกิริยากับตัวอย่างแล้ว ที่พื้นผิวทางออกของตัวอย่างจะมีอิเล็กตรอนอยู่สองประเภท ได้แก่ อิเล็กตรอนที่ไม่กระเจิง (ซึ่งจะสอดคล้องกับลำแสงกลางที่สว่างในรูปแบบการเลี้ยวเบน) และอิเล็กตรอนที่กระเจิง (ซึ่งเปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่เนื่องจากปฏิกิริยากับวัสดุ)

ในโหมดการถ่ายภาพ รูรับแสงของเลนส์วัตถุจะถูกวางไว้ในระนาบโฟกัสหลัง (BFP) ของเลนส์วัตถุ (ซึ่งเป็นตำแหน่งที่เกิดจุดการเลี้ยวเบน) หากใช้รูรับแสงของเลนส์วัตถุเพื่อเลือกเฉพาะลำแสงกลาง อิเล็กตรอนที่ส่งผ่านจะผ่านรูรับแสงไป ในขณะที่อิเล็กตรอนอื่นๆ จะถูกปิดกั้น และจะได้ภาพสนามสว่าง (ภาพ BF) หากเราอนุญาตให้สัญญาณจากลำแสงที่เลี้ยวเบนผ่านเข้ามา จะได้ภาพสนามมืด (ภาพ DF) สัญญาณที่เลือกจะถูกขยายและฉายลงบนหน้าจอ (หรือบนกล้อง) ด้วยความช่วยเหลือของเลนส์ตัวกลางและเลนส์ฉายภาพ จึงได้ภาพของตัวอย่าง

ในโหมดการเลี้ยวเบน สามารถใช้ช่องรับแสงที่เลือกไว้เพื่อกำหนดพื้นที่ของชิ้นงานที่จะแสดงสัญญาณได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น โดยการเปลี่ยนความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ส่งไปยังเลนส์ตัวกลาง รูปแบบการเลี้ยวเบนจะถูกฉายลงบนหน้าจอ การเลี้ยวเบนเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากสำหรับการสร้างโครงสร้างเซลล์และการกำหนดทิศทางของผลึก

ความแตกต่างระหว่างสองบริเวณที่อยู่ติดกันในภาพ TEM สามารถนิยามได้ว่าเป็นความแตกต่างของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในระนาบภาพ เนื่องจากการกระเจิงของลำแสงตกกระทบโดยตัวอย่าง ทำให้แอมพลิจูดและเฟสของคลื่นอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของแอมพลิจูดและความแตกต่างของเฟสตามลำดับ ภาพส่วนใหญ่จะมีส่วนประกอบของความแตกต่างทั้งสองอย่างนี้

ความแตกต่างของความเข้มแสงเกิดขึ้นจากการกำจัดอิเล็กตรอนบางส่วนก่อนถึงระนาบภาพ ในระหว่างการปฏิสัมพันธ์กับตัวอย่าง อิเล็กตรอนบางส่วนจะสูญหายไปเนื่องจากการดูดกลืน หรือเนื่องจากการกระเจิงที่มุมสูงมากเกินขีดจำกัดทางกายภาพของกล้องจุลทรรศน์ หรือถูกปิดกั้นโดยรูรับแสงของเลนส์วัตถุ ในขณะที่การสูญเสียสองกรณีแรกเกิดจากตัวอย่างและโครงสร้างของกล้องจุลทรรศน์ รูรับแสงของเลนส์วัตถุสามารถใช้โดยผู้ใช้งานเพื่อเพิ่มความคมชัดได้

รูปทางด้านขวาแสดงภาพ TEM (a) และรูปแบบการเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกัน (b) ของฟิล์มผลึกหลายเหลี่ยม Pt ที่ถ่ายโดยไม่ใช้รูรับแสงของเลนส์ เพื่อเพิ่มความคมชัดในภาพ TEM ควรลดจำนวนลำแสงที่กระเจิงดังที่เห็นในรูปแบบการเลี้ยวเบน ซึ่งสามารถทำได้โดยการเลือกพื้นที่เฉพาะในระนาบโฟกัสด้านหลัง เช่น เฉพาะลำแสงกลางหรือลำแสงเลี้ยวเบนเฉพาะ (มุม) หรือการรวมกันของลำแสงดังกล่าว โดยการเลือกรูรับแสงของเลนส์ที่อนุญาตให้เฉพาะลำแสงที่ไม่เลี้ยวเบนผ่านระนาบโฟกัสด้านหลัง (และไปยังระนาบภาพ) อย่างตั้งใจ จะได้ภาพแบบ Bright-Field (BF) (c) ในขณะที่หากปิดกั้นลำแสงกลางที่ไม่เลี้ยวเบน จะได้ภาพแบบ Dark-Field (DF) ดังที่แสดงใน (d–e) ภาพ DF (d–e) ได้มาจากการเลือกเฉพาะลำแสงเลี้ยวเบนที่ระบุในรูปแบบการเลี้ยวเบนด้วยวงกลม (b) โดยใช้รูรับแสงที่ระนาบโฟกัสด้านหลัง อนุภาคที่มีอิเล็กตรอนกระเจิงเข้าไปในจุดเลี้ยวเบนเหล่านี้จะปรากฏสว่างกว่า รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเกิดความแตกต่างของแสงเนื่องจากการเลี้ยวเบนจะกล่าวถึงต่อไป

ความแตกต่างของความเข้มแสงมีสองประเภท คือ ความแตกต่างของมวลและความหนา และความแตกต่างของการเลี้ยวเบน อันดับแรก เรามาพิจารณาความแตกต่างของมวลและความหนาเมื่อลำแสงส่องสว่างไปยังบริเวณใกล้เคียงสองบริเวณที่มีมวล (หรือความหนา) ต่ำและสูง บริเวณที่มีมวลมากกว่าจะกระจายอิเล็กตรอนในมุมที่ใหญ่กว่า อิเล็กตรอนที่กระจายตัวอย่างรุนแรงเหล่านี้จะถูกปิดกั้นในโหมด BF TEM โดยรูรับแสงของเลนส์วัตถุ ส่งผลให้บริเวณที่มีมวลมากกว่าปรากฏมืดกว่าในภาพ BF (มีความเข้มต่ำ) ความแตกต่างของมวลและความหนามีความสำคัญมากที่สุดสำหรับวัสดุที่ไม่เป็นผลึกหรือวัสดุอสัณฐาน

ความแตกต่างของแสงที่ เกิดจากการเลี้ยว เบนเกิดขึ้นเนื่องจากทิศทางการเรียงตัวของผลึกในโครงสร้างผลึกที่เฉพาะเจาะจง ในกรณีเช่นนี้ ผลึกจะเรียงตัวในลักษณะที่มีโอกาสเกิดการเลี้ยวเบนสูง ความแตกต่างของแสงที่เกิดจากการเลี้ยวเบนให้ข้อมูลเกี่ยวกับทิศทางการเรียงตัวของผลึกในตัวอย่างผลึกหลายเม็ด รวมถึงข้อมูลอื่นๆ เช่น ข้อบกพร่อง โปรดทราบว่าในกรณีที่มีความแตกต่างของแสงที่เกิดจากการเลี้ยวเบน ความแตกต่างนั้นไม่สามารถตีความได้ว่าเกิดจากความแปรผันของมวลหรือความหนา

ตัวอย่างสามารถแสดงความแตกต่างของความสว่างเนื่องจากการเลี้ยวเบนได้ โดยที่ลำแสงอิเล็กตรอนจะเกิดการเลี้ยวเบนซึ่งในกรณีของตัวอย่างที่เป็นผลึก จะทำให้เกิดการกระจายตัวของอิเล็กตรอนไปยังตำแหน่งต่างๆ บนระนาบโฟกัสหลังโดยการจัดวางรูรับแสงบนระนาบโฟกัสหลัง หรือก็คือรูรับแสงของ เลนส์วัตถุ สามารถเลือก (หรือตัดออก) เวกเตอร์ แลตติซผกผัน ที่ต้องการ ได้ ดังนั้นเฉพาะส่วนของตัวอย่างที่ทำให้เกิดการกระเจิงของอิเล็กตรอนไปยังจุดสะท้อนที่เลือกไว้เท่านั้นที่จะถูกฉายลงบนอุปกรณ์สร้างภาพ

หากเลือกเฉพาะแสงสะท้อนที่ไม่กระจาย (ซึ่งจะปรากฏที่จุดโฟกัสของเลนส์) ภาพที่ได้จะมืดในบริเวณที่ไม่มีการกระเจิงของตัวอย่างไปยังจุดสูงสุดที่เลือกไว้ เนื่องจากบริเวณที่ไม่มีตัวอย่างจะปรากฏมืด ลักษณะเช่นนี้เรียกว่าภาพแบบดาร์กฟิลด์ (dark-field image)

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) รุ่นใหม่ๆ มักติดตั้งอุปกรณ์ยึดชิ้นงานที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถเอียงชิ้นงานไปยังมุมต่างๆ เพื่อให้ได้สภาวะการเลี้ยวเบนที่เฉพาะเจาะจง และช่องเปิดที่อยู่เหนือชิ้นงานช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกอิเล็กตรอนที่อาจเลี้ยวเบนไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งไม่ให้เข้าสู่ชิ้นงานได้

การประยุกต์ใช้วิธีนี้รวมถึงการระบุข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก การเลือกทิศทางของตัวอย่างอย่างระมัดระวัง ไม่เพียงแต่จะสามารถระบุตำแหน่งของข้อบกพร่องได้เท่านั้น แต่ยังสามารถระบุประเภทของข้อบกพร่องที่มีอยู่ได้อีกด้วย หากตัวอย่างถูกจัดวางให้ระนาบหนึ่งเอียงออกจากมุมการเลี้ยวเบนที่แรงที่สุด (เรียกว่ามุมแบรกก์ ) เพียงเล็กน้อย การบิดเบี้ยวของระนาบผลึกที่ทำให้ระนาบเอียงไปทางมุมแบรกก์ในบริเวณนั้นจะทำให้เกิดความแตกต่างของความคมชัดที่แรงเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตาม ข้อบกพร่องที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอะตอมที่ไม่ทำให้ผลึกเอียงไปทางมุมแบรกก์ (เช่น การเคลื่อนที่ขนานกับระนาบผลึก) จะทำให้เกิดความคมชัดที่อ่อนกว่า^{[ 42 ]}

โครงสร้างผลึกยังสามารถตรวจสอบได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) หรือที่เรียกว่าคอนทราสต์เฟสเมื่อใช้แหล่งกำเนิดการปล่อยสนามและตัวอย่างที่มีความหนาสม่ำเสมอ ภาพจะเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างในเฟสของคลื่นอิเล็กตรอน ซึ่งเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของตัวอย่าง^{[ 41 ]}การสร้างภาพขึ้นอยู่กับโมดูลัสเชิงซ้อนของลำแสงอิเล็กตรอนที่เข้ามา ดังนั้น ภาพจึงไม่ได้ขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนที่กระทบกับหน้าจอเท่านั้น ทำให้การตีความภาพคอนทราสต์เฟสโดยตรงมีความซับซ้อนมากขึ้นเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ผลกระทบนี้สามารถนำมาใช้ให้เป็นประโยชน์ได้ เนื่องจากสามารถจัดการเพื่อให้ได้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวอย่าง เช่น ในเทคนิค การดึงเฟส ที่ซับซ้อน

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การปรับเลนส์แม่เหล็กให้ระนาบโฟกัสหลังของเลนส์อยู่ตรงตำแหน่งระนาบภาพบนอุปกรณ์ถ่ายภาพ จะทำให้เกิด ลวดลายการเลี้ยวเบนขึ้น สำหรับตัวอย่างผลึกบางๆ ลวดลายนี้จะประกอบด้วยจุดต่างๆ ในกรณีของผลึกเดี่ยว หรือวงแหวนหลายวงในกรณีของ วัสดุ แข็งที่เป็นผลึกหลายผลึกหรือ อสัณฐาน สำหรับกรณีผลึกเดี่ยว ลวดลายการเลี้ยวเบนจะขึ้นอยู่กับทิศทางของชิ้นงานและโครงสร้างของตัวอย่างที่ถูกฉายด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ภาพนี้ให้ข้อมูลแก่นักวิจัยเกี่ยวกับสมมาตรของกลุ่มพื้นที่ในผลึกและทิศทางของผลึกเทียบกับเส้นทางของลำแสง โดยทั่วไปแล้ว การวิเคราะห์นี้จะทำโดยไม่ต้องใช้ข้อมูลใดๆ นอกจากตำแหน่งที่จุดเลี้ยวเบนปรากฏและสมมาตรของภาพที่สังเกตได้

รูปแบบการเลี้ยวเบนสามารถมีช่วงไดนามิกที่กว้าง และสำหรับตัวอย่างที่เป็นผลึก อาจมีความเข้มมากกว่าที่ CCD สามารถบันทึกได้ ดังนั้น TEM อาจยังคงติดตั้งตลับฟิล์มเพื่อจุดประสงค์ในการบันทึกภาพเหล่านี้ เนื่องจากฟิล์มเป็นตัวตรวจจับแบบใช้ครั้งเดียว

การวิเคราะห์รูปแบบการเลี้ยวเบนที่เกินกว่าตำแหน่งจุดอาจมีความซับซ้อน เนื่องจากภาพมีความไวต่อปัจจัยหลายประการ เช่น ความหนาและการวางแนวของชิ้นงาน การเบลอของเลนส์วัตถุ และความคลาดเคลื่อนทรงกลมและความคลาดเคลื่อนสี แม้ว่าการตีความเชิงปริมาณของความแตกต่างที่แสดงในภาพแลตติซจะเป็นไปได้ แต่โดยเนื้อแท้แล้วมันมีความซับซ้อนและอาจต้องใช้การจำลองและการวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์อย่างกว้างขวาง เช่นการวิเคราะห์อิเล็กตรอนแบบหลายชั้น^{[ 43 ]}

พฤติกรรมที่ซับซ้อนกว่าในระนาบการเลี้ยวเบนก็เป็นไปได้เช่นกัน โดยมีปรากฏการณ์ต่างๆ เช่นเส้นคิคุจิซึ่งเกิดจากการเลี้ยวเบนหลายครั้งภายในโครงผลึก ในการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนแบบลำแสงรวม (CBED) ซึ่งสร้างหน้าคลื่นอิเล็กตรอนที่ไม่ขนานกัน กล่าวคือ ลำแสงรวม โดยการรวมลำแสงอิเล็กตรอนให้เป็นหัววัดขนาดเล็กที่พื้นผิวตัวอย่าง ปฏิสัมพันธ์ของลำแสงรวมสามารถให้ข้อมูลที่นอกเหนือจากข้อมูลโครงสร้าง เช่น ความหนาของตัวอย่างได้

การใช้เทคนิคขั้นสูงของสเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน (EELS) สำหรับ TEM ที่ติดตั้งอุปกรณ์อย่างเหมาะสม อิเล็กตรอนสามารถแยกออกเป็นสเปกตรัมตามความเร็วของพวกมัน (ซึ่งมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพลังงานจลน์ของพวกมัน และดังนั้นจึงมีการสูญเสียพลังงานจากพลังงานลำแสง) โดยใช้ อุปกรณ์ที่ใช้ ภาคส่วนแม่เหล็กที่เรียกว่าสเปกโทรเมตร EEL อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้สามารถเลือกค่าพลังงานเฉพาะ ซึ่งสามารถเชื่อมโยงกับวิธีที่อิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับตัวอย่าง ตัวอย่างเช่น ธาตุต่างๆ ในตัวอย่างส่งผลให้พลังงานอิเล็กตรอนในลำแสงหลังตัวอย่างแตกต่างกัน โดยปกติแล้วจะส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนของสี อย่างไรก็ตาม ผลกระทบนี้สามารถนำมาใช้สร้างภาพที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมี โดยอิงจากการเปลี่ยนผ่านของอะตอมระหว่างปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนได้^{[ 44 ]}

เครื่องสเปกโทรเมตร EELS มักสามารถใช้งานได้ทั้งในโหมดสเปกโทรสโกปีและโหมดการถ่ายภาพ ทำให้สามารถแยกหรือกำจัด ลำแสง ที่กระเจิงแบบยืดหยุ่นได้เนื่องจากสำหรับภาพจำนวนมาก การกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นจะรวมข้อมูลที่อาจไม่เป็นที่สนใจของผู้ตรวจสอบ ทำให้ลดสัญญาณที่สังเกตได้ที่น่าสนใจ การถ่ายภาพ EELS สามารถใช้เพื่อเพิ่มความคมชัดในภาพที่สังเกตได้ รวมถึงทั้งภาพสนามสว่างและภาพการเลี้ยวเบน โดยการกำจัดส่วนประกอบที่ไม่ต้องการ

เนื่องจากตัวยึดตัวอย่าง TEM โดยทั่วไปอนุญาตให้หมุนตัวอย่างตามมุมที่ต้องการ จึงสามารถได้ภาพหลายมุมของตัวอย่างเดียวกันโดยการหมุนมุมของตัวอย่างไปตามแกนที่ตั้งฉากกับลำแสง การถ่ายภาพตัวอย่าง TEM เดียวกันหลายภาพที่มุมต่างกัน โดยทั่วไปเพิ่มขึ้นทีละ 1° จะสามารถรวบรวมชุดภาพที่เรียกว่า "ชุดเอียง" ได้ วิธีการนี้ได้รับการเสนอในทศวรรษ 1970 โดยWalter Hoppeภายใต้เงื่อนไขความคมชัดของการดูดซับอย่างเดียว ชุดภาพเหล่านี้สามารถใช้สร้างภาพสามมิติของตัวอย่างได้^{[ 46 ]}

การสร้างใหม่สำเร็จได้ด้วยกระบวนการสองขั้นตอน ขั้นแรกภาพจะถูกจัดเรียงเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดในการวางตำแหน่งของตัวอย่าง ข้อผิดพลาดดังกล่าวอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการสั่นสะเทือนหรือการเคลื่อนตัวทางกล^{[ 47 ]}วิธีการจัดเรียงใช้ ขั้นตอนวิธี ลงทะเบียนภาพเช่น วิธี การหาความสัมพันธ์อัตโนมัติเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านี้ ประการที่สอง การใช้ขั้นตอนวิธีสร้างใหม่ เช่นการฉายย้อนกลับแบบกรอง ภาพของส่วนที่จัดเรียงแล้วสามารถแปลงจากชุดภาพสองมิติI _j ( x ,  y ) ไปเป็นภาพสามมิติเดียวI ′ _j ( x ,  y ,  z ) ได้ ภาพสามมิตินี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษเมื่อต้องการข้อมูลทางสัณฐานวิทยา สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้โดยใช้ขั้นตอนวิธีคอมพิวเตอร์ เช่นไอโซเซอร์เฟซและการแบ่งข้อมูลเพื่อวิเคราะห์ข้อมูล

เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วตัวอย่าง TEM ไม่สามารถมองเห็นได้ครบ 180° ภาพที่สังเกตได้จึงมักมี "ข้อมูลที่ขาดหายไป" ซึ่งเมื่อใช้ วิธี การฉายย้อนกลับแบบฟูริเยร์จะทำให้ช่วงความถี่ที่สามารถแยกแยะได้ในการสร้างภาพสามมิติลดลง^{[ 46 ]}การปรับปรุงทางกล เช่น การเอียงหลายแกน (การเอียงสองชุดของตัวอย่างเดียวกันที่ทำในทิศทางตั้งฉาก) และโทโมกราฟีแบบกรวย (โดยที่ตัวอย่างจะถูกเอียงไปที่มุมคงที่ที่กำหนดก่อน จากนั้นจึงถ่ายภาพที่มุมการหมุนที่เพิ่มขึ้นเท่ากันผ่านการหมุนครบหนึ่งรอบในระนาบของตะแกรงตัวอย่าง) สามารถใช้เพื่อจำกัดผลกระทบของข้อมูลที่ขาดหายไปต่อสัณฐานวิทยาของตัวอย่างที่สังเกตได้ การใช้ การกัด ด้วยลำแสงไอออนแบบโฟกัส ได้มีการเสนอเทคนิคใหม่^{[ 48 ]}ซึ่งใช้ตัวอย่างรูปเสาและตัวยึดโทโมกราฟีแบบเฉพาะบนแกนเพื่อทำการหมุนตัวอย่าง 180° ภายในชิ้นส่วนขั้วของเลนส์วัตถุใน TEM ด้วยการจัดเรียงดังกล่าว โทโมกราฟีอิเล็กตรอนเชิงปริมาณโดยไม่มีข้อมูลที่ขาดหายไปจึงเป็นไปได้^{[ 49 ]}นอกจากนี้ ยังมีเทคนิคเชิงตัวเลขที่สามารถปรับปรุงข้อมูลที่รวบรวมได้

วิธีการทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้นเกี่ยวข้องกับการบันทึกภาพชุดเอียงของชิ้นงาน ซึ่งส่งผลให้เกิดการสะสมของอิเล็กตรอนที่มีปฏิกิริยาสูงผ่านตัวอย่าง และการทำลายรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ในระหว่างการบันทึก ดังนั้นจึงมีการใช้เทคนิคการถ่ายภาพด้วยปริมาณรังสีต่ำ (ปริมาณรังสีน้อยที่สุด) เป็นประจำเพื่อลดผลกระทบนี้ การถ่ายภาพด้วยปริมาณรังสีต่ำทำได้โดยการเบี่ยงเบนบริเวณการส่องสว่างและการถ่ายภาพพร้อมกันออกจากแกนแสง เพื่อถ่ายภาพบริเวณที่อยู่ติดกับบริเวณที่จะบันทึก (บริเวณที่มีปริมาณรังสีสูง) บริเวณนี้จะคงอยู่ตรงกลางในระหว่างการเอียงและปรับโฟกัสใหม่ก่อนการบันทึก ในระหว่างการบันทึก การเบี่ยงเบนจะถูกกำจัดออกไป เพื่อให้บริเวณที่สนใจได้รับรังสีอิเล็กตรอนเฉพาะในช่วงเวลาที่จำเป็นสำหรับการถ่ายภาพเท่านั้น การปรับปรุงเทคนิคนี้ (สำหรับวัตถุที่วางอยู่บนฟิล์มพื้นผิวที่เอียง) คือการมีบริเวณสมมาตรสองบริเวณที่อยู่นอกแกนสำหรับการโฟกัส จากนั้นตั้งค่าโฟกัสเป็นค่าเฉลี่ยของค่าโฟกัสสองค่าในบริเวณที่มีปริมาณรังสีสูง ก่อนที่จะบันทึกบริเวณที่สนใจในบริเวณที่มีปริมาณรังสีต่ำ

วิธีการที่ไม่ใช้การสร้างภาพตัดขวาง (Non-tomographic variants) ซึ่งเรียกว่าการวิเคราะห์อนุภาคเดี่ยว (single particle analysis ) ใช้ภาพของวัตถุหลายชิ้น (ซึ่งหวังว่าจะเป็นวัตถุที่เหมือนกัน) ที่วางตัวในทิศทางต่างกัน เพื่อสร้างข้อมูลภาพที่จำเป็นสำหรับการสร้างภาพสามมิติ หากวัตถุเหล่านั้นไม่มีทิศทางที่เฉพาะเจาะจงมากนัก วิธีนี้จะไม่ประสบปัญหาข้อมูลที่หายไป (หรือส่วนที่ขาดหายไปคล้ายกรวย) ซึ่งมักเกิดขึ้นกับวิธีการสร้างภาพตัดขวาง และจะไม่ทำให้ได้รับรังสีมากเกินไป อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ถือว่าวัตถุต่างๆ ที่ถ่ายภาพนั้นสามารถนำมาพิจารณาได้ราวกับว่าข้อมูลสามมิติที่สร้างขึ้นจากวัตถุเหล่านั้นมาจากวัตถุเดียวที่คงที่

การเตรียมตัวอย่างใน TEM อาจเป็นขั้นตอนที่ซับซ้อน^{[ 50 ]}ตัวอย่าง TEM ควรมีความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตรสำหรับ TEM ทั่วไป ต่างจาก รังสี นิวตรอนหรือ รังสี เอ็กซ์อิเล็กตรอนในลำแสงจะทำปฏิกิริยากับตัวอย่างได้ง่าย ซึ่งผลนี้จะเพิ่มขึ้นโดยประมาณตาม กำลังสอง ^ของเลขอะตอม ( Z² ) ^{[ 15 ]}ตัวอย่างคุณภาพสูงจะมีความหนาที่เทียบได้กับระยะทางเฉลี่ยอิสระของอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านตัวอย่าง ซึ่งอาจมีเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตรเท่านั้น การเตรียมตัวอย่าง TEM นั้นขึ้นอยู่กับวัสดุที่กำลังวิเคราะห์และประเภทของข้อมูลที่จะได้รับจากตัวอย่าง

วัสดุที่มีขนาดเล็กพอที่จะโปร่งใสต่ออิเล็กตรอน เช่น สารผง สิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก ไวรัส หรือนาโนทิวบ์ สามารถเตรียมได้อย่างรวดเร็วโดยการวางตัวอย่างเจือจางที่มีตัวอย่างลงบนฟิล์มบนตะแกรงรองรับ ตัวอย่างทางชีวภาพอาจถูกฝังในเรซินเพื่อทนต่อสุญญากาศสูงในห้องตัวอย่างและเพื่อให้สามารถตัดเนื้อเยื่อเป็นชิ้นส่วนบางๆ ที่โปร่งใสต่ออิเล็กตรอนได้ ตัวอย่างทางชีวภาพสามารถย้อมสีได้โดยใช้ วัสดุ ย้อมสีเชิงลบเช่นยูรานิลอะซิเตตสำหรับแบคทีเรียและไวรัส หรือในกรณีของชิ้นส่วนที่ฝัง ตัวอย่างอาจถูกย้อมด้วยโลหะหนัก รวมถึงออสเมียมเตตระออกไซด์หรืออีกทางหนึ่ง ตัวอย่างอาจถูกเก็บไว้ที่ อุณหภูมิ ไนโตรเจนเหลวหลังจากฝังในน้ำแข็งใส^{[ 51 ]}ในวิทยาศาสตร์วัสดุและโลหะวิทยา ตัวอย่างมักจะทนต่อสุญญากาศสูงได้ แต่ยังคงต้องเตรียมเป็นฟอยล์บางๆ หรือกัดเพื่อให้บางส่วนของตัวอย่างบางพอที่ลำแสงจะทะลุผ่านได้ ข้อจำกัดเกี่ยวกับความหนาของวัสดุอาจถูกจำกัดโดยพื้นที่หน้าตัดการกระเจิงของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบของวัสดุนั้น

ก่อนการตัดแบ่งเนื้อเยื่อชีวภาพ มักจะฝังเนื้อเยื่อไว้ในบล็อกเรซินอีพ็อกซี และตัดแต่งก่อนโดยใช้ใบมีดโกนให้เป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมู จากนั้นจึงตัดชิ้นส่วนหนาออกจากหน้าบล็อก ชิ้นส่วนหนาจะถูกย้อมด้วยโทลูอิดีนบลูอย่างหยาบๆ และตรวจสอบการวางแนวของตัวอย่างและบล็อกก่อนการตัดแบ่งแบบบาง^{[ 52 ]} จากนั้นเนื้อเยื่อชีวภาพจะถูกทำให้บางลงเหลือน้อยกว่า 100 นาโนเมตรโดยใช้เครื่องอัลตราไมโครโทม บล็อกเรซินจะแตกเมื่อผ่านขอบมีดแก้วหรือเพชร^{[ 53 ]}วิธีนี้ใช้เพื่อให้ได้ตัวอย่างที่บางและเสียรูปน้อยที่สุด ซึ่งช่วยให้สามารถสังเกตโครงสร้างระดับจุลภาคของเนื้อเยื่อได้ ตัวอย่างอนินทรีย์ เช่น อะลูมิเนียม อาจถูกฝังในเรซินและตัดแบ่งแบบบางพิเศษด้วยวิธีนี้ โดยใช้มีดแก้วเคลือบ มีดแซฟไฟร์ หรือมีดเพชรมุมใหญ่^{[ 54 ]}เพื่อป้องกันการสะสมของประจุที่พื้นผิวตัวอย่างเมื่อดูใน TEM ตัวอย่างเนื้อเยื่อจำเป็นต้องเคลือบด้วยวัสดุตัวนำบางๆ เช่น คาร์บอน

ตัวอย่างเนื้อเยื่อชีวภาพสำหรับ TEM จำเป็นต้อง ใช้สีย้อมที่มีเลขอะตอมสูงเพื่อเพิ่มความคมชัด สีย้อมจะดูดซับอิเล็กตรอนจากลำแสงหรือกระจายส่วนหนึ่งของลำแสงอิเล็กตรอนซึ่งจะถูกฉายไปยังระบบการถ่ายภาพ สารประกอบของโลหะหนักเช่นออสเมียมตะกั่วยูเรเนียมหรือทองคำ (ในการติดฉลากอิมมูโนโกลด์ ) อาจใช้ก่อนการ สังเกตTEM เพื่อสะสมอะตอมที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในหรือบนตัวอย่างในบริเวณเซลล์หรือโปรตีนที่ต้องการ กระบวนการนี้ต้องอาศัยความเข้าใจว่าโลหะหนักจับกับเนื้อเยื่อชีวภาพและโครงสร้างเซลล์ที่เฉพาะเจาะจงอย่างไร^{[ 55 ]}

การย้อมตัวอย่างอีกรูปแบบหนึ่งคือการย้อมแบบลบ (negative stain ) โดยใช้สีย้อม โลหะหนักในปริมาณมากกับตัวอย่าง^{[ 56 ]}ผลลัพธ์ที่ได้คือตัวอย่างที่มีพื้นหลังสีเข้มและพื้นผิวเชิงโครงสร้างของตัวอย่างจะปรากฏเป็นสีอ่อนกว่า การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบย้อมลบเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการมองเห็นหรือการสร้างโครงสร้างเชิงโครงสร้าง 3 มิติของโปรตีน ขนาดใหญ่ หรือสารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่ (> 150 kDa) สำหรับโปรตีนขนาดเล็ก การย้อมลบสามารถใช้เป็นขั้นตอนการคัดกรองเพื่อหาความเข้มข้น ของตัวอย่างที่เหมาะสม สำหรับ การใช้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่แข็ง^{[ 56 ]}

การขัดเงาเชิงกลยังใช้ในการเตรียมตัวอย่างสำหรับการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) การขัดเงาจำเป็นต้องทำอย่างมีคุณภาพสูง เพื่อให้แน่ใจว่าความหนาของตัวอย่างมีความสม่ำเสมอทั่วทั้งบริเวณที่สนใจ อาจใช้สารขัดเงาเพชรหรือคิวบิกโบรอนไนไตรด์ในขั้นตอนสุดท้ายของการขัดเงาเพื่อขจัดรอยขีดข่วนใด ๆ ที่อาจทำให้ความคมชัดผันผวนเนื่องจากความหนาของตัวอย่างที่แตกต่างกัน แม้หลังจากทำการกัดเชิงกลอย่างระมัดระวังแล้ว อาจจำเป็นต้องใช้วิธีการละเอียดเพิ่มเติม เช่น การกัดด้วยไอออน เพื่อทำการลดความหนาในขั้นตอนสุดท้าย

ตัวอย่างบางชนิดอาจถูกเตรียมโดยวิธีการกัดด้วยสารเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวอย่างโลหะ ตัวอย่างเหล่านี้จะถูกทำให้บางลงโดยใช้สารเคมีกัดกร่อน เช่น กรด เพื่อเตรียมตัวอย่างสำหรับการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) อุปกรณ์ควบคุมกระบวนการทำให้บางลงอาจช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวอย่างได้ และอาจรวมถึงระบบตรวจจับเมื่อตัวอย่างบางลงจนถึงระดับความโปร่งใสทางแสงที่เพียงพอแล้ว

การกัดด้วยไอออนเป็นกระบวนการสปัตเตอร์ที่สามารถกำจัดวัสดุในปริมาณน้อยมากได้ วิธีนี้ใช้ในการขัดเงาชิ้นงานที่ขัดเงาด้วยวิธีอื่นแล้ว การกัดด้วยไอออนใช้ก๊าซเฉื่อยที่ผ่านสนามไฟฟ้าเพื่อสร้าง กระแส พลาสมาที่พุ่งไปยังพื้นผิวของชิ้นงาน พลังงานเร่งความเร็วสำหรับก๊าซเช่นอาร์กอนโดยทั่วไปจะมีค่าเพียงไม่กี่กิโลโวลต์ อาจมีการหมุนชิ้นงานเพื่อส่งเสริมการขัดเงาพื้นผิวของชิ้นงานอย่างสม่ำเสมอ อัตราการสปัตเตอร์ของวิธีการดังกล่าวอยู่ในระดับหลายสิบไมโครเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งจำกัดวิธีการนี้ไว้สำหรับการขัดเงาที่ละเอียดมากเท่านั้น

เมื่อเร็วๆ นี้ มีการแสดงให้เห็นว่าการกัดด้วยไอออนโดยใช้ก๊าซอาร์กอนสามารถกัด โครงสร้าง MTJ ลงไป จนถึงชั้นเฉพาะที่สามารถมองเห็นได้ในระดับอะตอม ภาพ TEM ที่ถ่ายในมุมมองระนาบแทนที่จะเป็นภาคตัดขวางเผยให้เห็นว่าชั้น MgO ภายใน MTJ มีขอบเขตของเกรนจำนวนมาก ซึ่งอาจทำให้คุณสมบัติของอุปกรณ์ลดลง^{[ 57 ]}

เมื่อไม่นานมานี้ มีการใช้วิธี การลำแสงไอออนแบบโฟกัส (FIB) เพื่อเตรียมตัวอย่าง FIB เป็นเทคนิคที่ค่อนข้างใหม่ในการเตรียมตัวอย่างบางๆ สำหรับการตรวจสอบด้วย TEM จากตัวอย่างขนาดใหญ่ เนื่องจาก FIB สามารถใช้ในการตัดเฉือนตัวอย่างขนาดเล็กได้อย่างแม่นยำมาก จึงสามารถกัดเยื่อบางๆ จากบริเวณที่สนใจเฉพาะในตัวอย่าง เช่น สารกึ่งตัวนำหรือโลหะได้ แตกต่างจากการสปัตเตอร์ไอออนด้วยก๊าซเฉื่อย FIB ใช้ไอออนแกลเลียมที่มีพลังงานสูงกว่ามาก และอาจเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหรือโครงสร้างของวัสดุผ่านการฝังแกลเลียม^{[ 58 ]}

เพื่อลดการเกิดความเครียดและการโค้งงอให้น้อยที่สุดต่อตัวอย่างสำหรับการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ( เช่นแผ่นบาง ฟิล์มบางและตัวอย่างอื่นๆ ที่ไวต่อแรงทางกลและลำแสง) เมื่อทำการถ่ายโอนภายในลำแสงไอออนแบบโฟกัส (FIB) สามารถใช้ลวดนาโน โลหะที่ยืดหยุ่นได้ติดเข้ากับ ไมโครแมนิพิวเลเตอร์ซึ่ง โดยทั่วไปแล้วจะแข็งทื่อ

ข้อดีหลักของวิธีนี้ ได้แก่ การลดเวลาในการเตรียมตัวอย่างลงอย่างมาก (การเชื่อมและการตัดนาโนไวร์ อย่างรวดเร็ว ที่กระแสลำแสงต่ำ) และการลดการดัดงอที่เกิดจากความเครียด การปนเปื้อนของ Pt และความเสียหายจากลำแสงไอออน^{[ 59 ]} เทคนิคนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมตัวอย่างสำหรับ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ in situ

นอกจากนี้ยังสามารถสร้างตัวอย่างจำลองได้โดยใช้ฟิล์มเซลลูโลสอะซิเตตจากนั้นเคลือบฟิล์มด้วยโลหะหนัก เช่น แพลทินัม ละลายฟิล์มเดิมออก และถ่ายภาพตัวอย่างจำลองด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) เทคนิคการจำลองแบบนี้มีการนำไปใช้กับทั้งวัสดุและตัวอย่างทางชีวภาพ ในด้านวัสดุศาสตร์ การใช้งานทั่วไปคือการตรวจสอบพื้นผิวรอยแตกใหม่ของโลหะผสม

ความสามารถของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) สามารถขยายเพิ่มเติมได้ด้วยแท่นวางและตัวตรวจจับเพิ่มเติม ซึ่งบางครั้งอาจรวมอยู่ในกล้องจุลทรรศน์ตัวเดียวกัน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน ( TEM) สามารถดัดแปลงเป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนส่งผ่าน (STEM) ได้โดยการเพิ่มระบบที่สแกนลำแสงรวมแสงไปทั่วตัวอย่างเพื่อสร้างภาพ เมื่อรวมกับตัวตรวจจับที่เหมาะสม ขดลวดสแกนใช้ในการเบี่ยงเบนลำแสง เช่น โดยการเลื่อนลำแสงด้วยไฟฟ้าสถิต จากนั้นลำแสงจะถูกรวบรวมโดยใช้ตัวตรวจจับกระแสไฟฟ้า เช่นถ้วยฟาราเดย์ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวนับอิเล็กตรอนโดยตรง โดยการเชื่อมโยงจำนวนอิเล็กตรอนกับตำแหน่งของลำแสงสแกน (เรียกว่า "โพรบ") สามารถวัดส่วนประกอบที่ส่งผ่านของลำแสงได้ ส่วนประกอบที่ไม่ส่งผ่านสามารถหาได้โดยการเอียงลำแสงหรือโดยการใช้ตัวตรวจจับ สนามมืดแบบวงแหวน

โดยพื้นฐานแล้ว TEM และ STEM เชื่อมโยงกันผ่าน หลักการแลกเปลี่ยนของ เฮล์มโฮลทซ์ (Helmholtz reciprocity ) STEM คือ TEM ที่แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนและจุดสังเกตถูกสลับตำแหน่งสัมพันธ์กับทิศทางการเคลื่อนที่ของลำแสงอิเล็กตรอน ดูแผนภาพรังสีในรูปด้านขวา เครื่องมือ STEM อาศัยการจัดเรียงทางแสงแบบเดียวกับ TEM แต่ทำงานโดยการพลิกทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (หรือย้อนเวลา) ในระหว่างการทำงานของ TEM แทนที่จะใช้ช่องรับแสงเพื่อควบคุมอิเล็กตรอนที่ตรวจจับได้ เช่นเดียวกับใน TEM STEM ใช้ตัวตรวจจับต่างๆ ที่มีมุมการเก็บรวบรวมที่สามารถปรับได้ตามอิเล็กตรอนที่ผู้ใช้ต้องการจับภาพ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำ (LVEM) ทำงานที่แรงดันเร่งอิเล็กตรอนค่อนข้างต่ำระหว่าง 5–25 kV บางชนิดอาจเป็นการรวมกันของ SEM, TEM และ STEM ในเครื่องมือขนาดกะทัดรัดเพียงเครื่องเดียว แรงดันต่ำช่วยเพิ่มความคมชัดของภาพ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับตัวอย่างทางชีววิทยา การเพิ่มความคมชัดนี้ช่วยลดหรือขจัดความจำเป็นในการย้อมสีได้อย่างมาก ความละเอียดระดับไม่กี่นาโนเมตรเป็นไปได้ในโหมด TEM, SEM และ STEM พลังงานต่ำของลำแสงอิเล็กตรอนหมายความว่าสามารถใช้แม่เหล็กถาวรเป็นเลนส์ได้ ดังนั้นจึงสามารถใช้คอลัมน์ขนาดเล็กที่ไม่ต้องใช้การระบายความร้อนได้^{[ 60 ] [ 61 ]}

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความเย็นยิ่งยวด (Cryo-TEM หรือ Cryo-EM) ใช้ TEM ที่มีตัวยึดชิ้นงานที่สามารถรักษาชิ้นงานไว้ที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลวหรือฮีเลียมเหลวได้^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}ซึ่งช่วยให้สามารถถ่ายภาพชิ้นงานที่เตรียมไว้ในน้ำแข็งใสซึ่งเป็นเทคนิคการเตรียมที่นิยมใช้สำหรับการถ่ายภาพโมเลกุลเดี่ยวหรือกลุ่มโมเลกุลขนาด ใหญ่ ^{[ 65 ]}การถ่ายภาพส่วนต่อประสานของของแข็ง-อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นแก้ว^{[ 66 ]}และการถ่ายภาพวัสดุที่ระเหยได้ในสุญญากาศสูงที่อุณหภูมิห้อง เช่น กำมะถัน^{[ 67 ]}สำหรับวัสดุหรืออุปกรณ์ควอนตัมจำนวนมาก จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิต่ำหรืออุณหภูมิต่ำมาก^{[ 68 ]}เพื่อเข้าถึงเฟสที่เกิดพฤติกรรมควอนตัมขึ้น^{[ 69 ]}

การทดลองในสถานที่อาจดำเนินการใน TEM โดยใช้ห้องตัวอย่างที่มีการสูบแยกกัน หรือตัวยึดแบบพิเศษ^{[ 70 ]}ประเภทของการทดลองในสถานที่ ได้แก่ การศึกษานาโนวัสดุ^{[ 71 ]}ตัวอย่างทางชีวภาพ ปฏิกิริยาเคมีของโมเลกุล^{[ 72 ]} กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเฟสของเหลว^{[ 73 ] [ 74 ]}และการทดสอบการเสียรูปของวัสดุ^{[ 75 ]}

การเปลี่ยนแปลงสถานะหลายอย่างเกิดขึ้นระหว่างการให้ความร้อน นอกจากนี้ การขยายตัวและการเติบโตของเกรน รวมถึงกระบวนการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจาย จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งจลนศาสตร์ดีขึ้น ทำให้สามารถสังเกตปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านได้ภายในระยะเวลาที่เหมาะสม นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถสังเกตปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงและหายไปหรือไม่ได้ถูกเก็บรักษาไว้อย่างสม่ำเสมอในตัวอย่างนอกสถานที่ได้อีกด้วย

TEM ที่อุณหภูมิสูงทำให้เกิดความท้าทายเพิ่มเติมหลายประการที่ต้องได้รับการแก้ไขในกลไกของตัวยึดอุณหภูมิสูง ซึ่งรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงการแก้ไขการเลื่อน การวัดอุณหภูมิ และความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ลดลงโดยแลกกับตัวยึดที่ซับซ้อนมากขึ้น^{[ 76 ] [ 77 ]}

การเคลื่อนตัวของตัวอย่างใน TEM เป็นสัดส่วนเชิงเส้นกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างห้องและตัวยึด ด้วยอุณหภูมิที่สูงถึง 1500C ในตัวยึดที่ทันสมัย ​​ตัวอย่างอาจประสบกับการเคลื่อนตัวและการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง (การโป่ง) อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งต้องมีการปรับโฟกัสหรือแท่นวางอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ความละเอียดลดลงและการเคลื่อนตัวทางกล^{[ 78 ] [ 79 ]}ห้องปฏิบัติการและผู้ผลิตแต่ละรายได้พัฒนาซอฟต์แวร์ที่เชื่อมต่อกับระบบระบายความร้อนขั้นสูงเพื่อแก้ไขการเคลื่อนตัวเนื่องจากความร้อนโดยอิงจากอุณหภูมิที่คาดการณ์ไว้ในห้องตัวอย่าง^{[ 76 ] [ 79 ] [ 80 ]}ระบบเหล่านี้มักใช้เวลา 30 นาทีถึงหลายชั่วโมงเพื่อให้การเคลื่อนตัวของตัวอย่างคงที่ แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่ก็ยังไม่มีอุปกรณ์เสริม TEM สากลใดที่สามารถรองรับการเคลื่อนตัวที่อุณหภูมิสูงได้^{[ 77 ] [ 78 ] [ 80 ]}

ความท้าทายเพิ่มเติมของตัวยึดเฉพาะทางเหล่านี้จำนวนมากคือการทราบอุณหภูมิของตัวอย่างเฉพาะที่ ตัวยึดอุณหภูมิสูงจำนวนมากใช้ไส้หลอดทังสเตนเพื่อให้ความร้อนแก่ตัวอย่างเฉพาะที่^{[ 76 ] [ 79 ]}ความกำกวมของอุณหภูมิในเครื่องทำความร้อนเตาเผา (ลวดทังสเตน) ที่มีเทอร์โมคัปเปิลเกิดขึ้นจากการสัมผัสทางความร้อนระหว่างเตาเผาและตะแกรง TEM ซึ่งซับซ้อนขึ้นด้วยการไล่ระดับอุณหภูมิไปตามตัวอย่างที่เกิดจากค่าการนำความร้อนที่แตกต่างกันของตัวอย่างและวัสดุตะแกรงที่แตกต่างกัน^{[ 77 ]}ด้วยตัวยึดที่แตกต่างกันทั้งที่ผลิตในเชิงพาณิชย์และที่ผลิตในห้องปฏิบัติการ จึงมีวิธีการสอบเทียบอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ผู้ผลิตเช่น Gatan ใช้การวัดอุณหภูมิด้วยอินฟราเรดเพื่อวัดการไล่ระดับอุณหภูมิทั่วทั้งตัวอย่าง วิธีการสอบเทียบที่ดีกว่าคือสเปกโทรสโกปีรามาน ซึ่งวัดอุณหภูมิเฉพาะที่ของผง Si บนหน้าต่างที่โปร่งใสต่ออิเล็กตรอนและสอบเทียบการวัดอุณหภูมิด้วยอินฟราเรดในเชิงปริมาณ การวัดเหล่านี้รับประกันความแม่นยำภายใน 5% ห้องปฏิบัติการวิจัยยังได้ทำการสอบเทียบตัวยึดเชิงพาณิชย์ของตนเองด้วย นักวิจัยที่ NIST ใช้สเปกโทรสโกปีรามานเพื่อสร้างแผนที่โปรไฟล์อุณหภูมิของตัวอย่างบนตะแกรง TEM และวัดค่าได้อย่างแม่นยำมากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการวิจัย^{[ 81 ]}ในทำนองเดียวกัน กลุ่มวิจัยในเยอรมนีใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในระยะห่างของแลตติสที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพื่อคำนวณย้อนกลับอุณหภูมิที่แน่นอนในตัวยึด กระบวนการนี้ต้องใช้การสอบเทียบอย่างระมัดระวังและเลนส์ TEM ที่แม่นยำ^{[ 82 ]}ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่ การใช้ EELS เพื่อวัดอุณหภูมิเฉพาะที่โดยใช้การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของก๊าซ^{[ 83 ]}และการเปลี่ยนแปลงความต้านทาน^{[ 77 ]}

ความละเอียดที่เหมาะสมที่สุดใน TEM จะเกิดขึ้นได้เมื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมด้วยเลนส์วัตถุ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตของ TEM ส่วนใหญ่ การใส่ตัวยึดแบบ in-situ ขนาดใหญ่ทำให้ผู้ใช้ต้องประนีประนอมกับเลนส์วัตถุและยอมรับความคลาดเคลื่อนทรงกลม ดังนั้นจึงมีการประนีประนอมระหว่างความกว้างของช่องว่างระหว่างขั้วและความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ต่ำกว่า 0.1 นาโนเมตร กลุ่มวิจัยในสถาบันต่างๆ ได้พยายามเอาชนะความคลาดเคลื่อนทรงกลมโดยใช้โมโนโครมาเตอร์เพื่อให้ได้ความละเอียด 0.05 นาโนเมตรด้วยช่องว่างระหว่างขั้ว 5 มม. ^{[ 84 ]}

ความละเอียดสูงของ TEM ช่วยให้สามารถตรวจสอบตัวอย่างที่ต้องการได้ในระดับความยาวตั้งแต่หลายร้อยนาโนเมตรไปจนถึงหลายอังสตรอม ซึ่งช่วยให้สามารถมองเห็นการเสียรูปทั้งแบบยืดหยุ่นและแบบพลาสติกผ่านสนามความเครียด รวมถึงการเคลื่อนที่ของข้อบกพร่องทางผลึกวิทยาเช่น การบิดเบี้ยวของแลตติสและ การเคลื่อนที่ ของดิสโลเคชันการสังเกตปรากฏการณ์การเสียรูปและการวัดการตอบสนองทางกลในสถานที่พร้อมกัน ทำให้สามารถเชื่อมโยงข้อมูลการทดสอบทางกลระดับนาโนเข้ากับแบบจำลองที่อธิบายทั้งความละเอียดอ่อนและความซับซ้อนของการตอบสนองของวัสดุต่อความเค้นและความเครียดได้^{[ 85 ]}คุณสมบัติของวัสดุและความแม่นยำของข้อมูลที่ได้จากการทดสอบทางกลระดับนาโนดังกล่าวส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับตัวยึดความเครียดทางกลที่ใช้ ตัวยึดความเครียดในปัจจุบันสามารถทำการทดสอบแรงดึงการกดแบบนาโนการทดสอบการบีบอัด การทดสอบแรงเฉือน และการทดสอบการดัดงอของวัสดุได้^{[ 86 ]}

หนึ่งในผู้บุกเบิกตัวยึดแบบคลาสสิกคือ Heinz GF Wilsdorf ซึ่งทำการทดสอบแรงดึงภายใน TEM ในปี 1958 ^{[ 87 ]}ในการทดลองทั่วไป ตัวอย่าง TEM ที่โปร่งใสต่ออิเล็กตรอนจะถูกตัดให้ได้รูปร่างและติดกาวเข้ากับตะแกรงที่สามารถเปลี่ยนรูปได้ ความก้าวหน้าในไมโครแมนิพิวเลเตอร์ยังทำให้สามารถทดสอบแรงดึงของนาโนไวร์และฟิล์มบางได้ตะแกรงที่สามารถเปลี่ยนรูปได้จะติดอยู่กับตัวยึดแรงดึงแบบคลาสสิก ซึ่งจะยืดตัวอย่างโดยใช้เพลาแข็งยาวที่ติดอยู่กับกล่องเกียร์ หนอน ซึ่งทำงานโดยมอเตอร์ไฟฟ้าที่อยู่ในตัวเรือนภายนอก TEM โดยทั่วไปอัตราความเครียดจะอยู่ในช่วง 10 nm/s ถึง 10 μm/s ^{[ 88 ]}ตัวยึดที่ทำขึ้นเองซึ่งขยายการทำงานของการยืดแบบง่ายๆ ทำให้สามารถทำการทดสอบการดัดงอโดยใช้ตัวยึดการดัดงอ^{[ 89 ]}และการทดสอบแรงเฉือนโดยใช้ตัวยึดตัวอย่างแรงเฉือนได้^{[ 90 ]}คุณสมบัติของตัวอย่างที่วัดได้โดยทั่วไปในการทดลองเหล่านี้ ได้แก่ความแข็งแรงคราก โมดูลัสยืดหยุ่นโมดูลัสเฉือนความแข็งแรงดึงความแข็งแรงดัดและความแข็งแรงเฉือนเพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกลที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวอย่าง TEM ตัวยึดสามารถทำให้เย็นลงได้โดยใช้แท่งทำความเย็นที่เชื่อมต่อกับอ่างเก็บไนโตรเจนเหลว สำหรับการทดลองที่อุณหภูมิสูง ตัวอย่าง TEM ยังสามารถให้ความร้อนได้โดยใช้เตาเผาขนาดเล็กหรือเลเซอร์ซึ่งโดยทั่วไปสามารถให้ความร้อนได้ถึง 1000 °C ^{[ 91 ]}

ตัวยึดนาโนอินเดนเทชันทำการทดสอบความแข็งของวัสดุที่ต้องการโดยการกดปลายแข็งลงบนพื้นผิวเรียบที่ขัดเงา และวัดแรงที่ใช้และการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นบนตัวอย่าง TEM ผ่านการเปลี่ยนแปลงของความจุระหว่างแผ่นอ้างอิงและแผ่นไฟฟ้าสถิตที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งติดอยู่กับปลาย^{[ 92 ]}คุณสมบัติของตัวอย่างที่วัดได้โดยทั่วไปคือความแข็งและโมดูลัสความยืดหยุ่นแม้ว่านาโนอินเดนเทชันจะเป็นไปได้ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980 แต่การตรวจสอบโดยใช้ TEM ได้รับการรายงานครั้งแรกในปี 2001 โดยมีการตรวจสอบตัวอย่างอะลูมิเนียมที่เคลือบอยู่บนลิ่มซิลิคอน^{[ 93 ]}สำหรับการทดลองนาโนอินเดนเทชัน ตัวอย่าง TEM มักจะมีรูปร่างเป็นลิ่มโดยใช้เครื่องขัดแบบขาตั้งสามขา หน้าต่าง H-bar หรือไมโครนาโนพิลลาร์โดยใช้ลำแสงไอออนแบบโฟกัสเพื่อสร้างพื้นที่เพียงพอสำหรับการกดปลายที่ตำแหน่งที่ต้องการซึ่งอิเล็กตรอนสามารถทะลุผ่านได้ ปลายหัวกดมักจะเป็นแบบแบน แบบพีระมิด หรือแบบลิ่มที่ยาวในทิศทาง z ^{[ 94 ]}หัวกดรูปพีระมิดให้ความแม่นยำสูงในระดับ 10 นาโนเมตร แต่มีปัญหาเรื่องการลื่นไถลของตัวอย่าง ในขณะที่หัวกดรูปทรงลิ่มมีการสัมผัสที่มากกว่าเพื่อป้องกันการลื่นไถล แต่ต้องใช้การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดเพื่อจำลองความเครียดที่ส่งผ่าน เนื่องจากพื้นที่สัมผัสสูงกับตัวอย่าง TEM ทำให้การทดสอบนี้เกือบจะเป็นการทดสอบการบีบอัด^{[ 95 ]}

ตัวยึดแบบ ไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์ (MEMs) เป็นแพลตฟอร์มราคาประหยัดและปรับแต่งได้สำหรับการทดสอบทางกลกับตัวอย่างที่ยากต่อการทำงานในอดีต เช่น ไมโครพิลลาร์ นาโนไวร์ และฟิล์มบาง^{[ 96 ]} MEMs แบบพาสซีฟถูกใช้เป็นอุปกรณ์แบบผลักและดึงอย่างง่ายสำหรับการทดสอบทางกลในสถานที่ โดยทั่วไป ตัวยึดนาโนอินเดนเทชันจะถูกใช้เพื่อออกแรงผลักที่จุดกด การใช้รูปทรงของแขน แรงผลักนี้จะแปลงเป็นแรงดึงบนแผ่นรองรับแรงดึงคู่หนึ่งซึ่งติดตัวอย่างไว้ ดังนั้น การบีบอัดที่ใช้ภายนอก MEMs จะแปลงเป็นแรงดึงในช่องว่างตรงกลางซึ่งตัวอย่าง TEM ตั้งอยู่ เส้นโค้งแรง-การกระจัดที่ได้จะต้องได้รับการแก้ไขโดยการทำการทดสอบเดียวกันกับ MEMs ที่ว่างเปล่าโดยไม่มีตัวอย่าง TEM เพื่อคำนึงถึงความแข็งของ MEMs ที่ว่างเปล่า ขนาดและความแข็งของ MEMs สามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อทำการทดสอบแรงดึงกับตัวอย่างขนาดต่างๆ ที่มีภาระต่างกัน เพื่อทำให้กระบวนการทำงานราบรื่นขึ้น ได้มีการพัฒนา MEM แบบแอคทีฟที่มีแอคทูเอเตอร์และเซนเซอร์ ใน ตัว อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานโดยการใช้แรงกดโดยใช้พลังงานไฟฟ้าและวัดความเครียดโดยใช้การเปลี่ยนแปลงของความจุ^{[ 97 ]}นอกจากนี้ยังมีการพัฒนา MEM ที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้าสถิตเพื่อรองรับแรงที่ใช้ต่ำมากในช่วง 1–100 nN ^{[ 98 ]}

งานวิจัยปัจจุบันส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาตัวยึดตัวอย่างที่สามารถทำการทดสอบทางกลในขณะที่สร้างสิ่งกระตุ้นทางสิ่งแวดล้อม เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ อัตราความเครียดที่แปรผัน และสภาพแวดล้อมของก๊าซที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ การเกิดขึ้นของตัวตรวจจับความละเอียดสูงทำให้สามารถตรวจสอบการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันและการโต้ตอบกับข้อบกพร่องอื่นๆ และผลักดันขีดจำกัดของการวัดความเครียดระดับย่อยนาโนเมตร การวัด TEM ทางกลแบบในสถานที่มักจะควบคู่ไปกับการวัด TEM มาตรฐานอื่นๆ เช่นEELSและXEDSเพื่อให้เข้าใจโครงสร้างและคุณสมบัติของตัวอย่างอย่างครอบคลุม^{[ 99 ]}

TEM สำหรับการวิจัยสมัยใหม่อาจมีตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อน^{[ 19 ]}เพื่อลดปริมาณการบิดเบือนในภาพอาจใช้  โมโนโครมาเตอร์ ลำแสงตกกระทบซึ่งช่วยลดการกระจายพลังงานของลำแสงอิเล็กตรอนตกกระทบให้น้อยกว่า 0.15 eV ^{[ 19 ]}ผู้ผลิต TEM ที่แก้ไขความคลาดเคลื่อนรายใหญ่ ได้แก่JEOL , Hitachi High-technologies, FEI Companyและ NION

การใช้พัลส์อิเล็กตรอนช่วยให้ได้ความละเอียดเชิงเวลาที่สูงกว่าอัตราการอ่านค่าของตัวตรวจจับอิเล็กตรอนมากพัลส์เหล่านี้สามารถสร้างขึ้นได้โดยการดัดแปลงแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนเพื่อให้สามารถปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนที่กระตุ้นด้วยเลเซอร์ได้^{[ 100 ]}หรือโดยการติดตั้งตัวปิดกั้นลำแสงความเร็วสูง^{[ 101 ]}วิธีนี้เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความเร็วสูงเมื่อ ใช้การส่องสว่าง แบบปั๊ม-โพรบแบบสโตรโบสโคปิก : ภาพจะถูกสร้างขึ้นโดยการสะสมพัลส์อิเล็กตรอนแบบสั้นมากจำนวนมาก (โดยทั่วไปหลายร้อยเฟมโตวินาที) โดยมีช่วงเวลาหน่วงคงที่ระหว่างการมาถึงของพัลส์อิเล็กตรอนและการกระตุ้นตัวอย่าง ในทางกลับกัน การใช้พัลส์อิเล็กตรอนเดี่ยวหรือลำดับสั้นๆ ที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเพียงพอที่จะสร้างภาพจากแต่ละพัลส์เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านแบบไดนามิก ความละเอียดเชิงเวลาที่ต่ำถึงหลายร้อยเฟมโตวินาทีและความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เทียบได้กับที่ได้จาก แหล่งกำเนิด การปล่อยสนาม Schottkyนั้นเป็นไปได้ใน TEM ความเร็วสูง^{[ 102 ]}การใช้แนวทางโฟตอนเกตติ้ง^{[ 103 ]}ทำให้ความละเอียดเชิงเวลาในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความเร็วสูงพิเศษสูงถึง 30 เฟมโตวินาที ช่วยให้สามารถถ่ายภาพพลวัตของอะตอมและอิเล็กตรอนความเร็วสูงพิเศษของสสารได้^{[ 104 ]}อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้สามารถถ่ายภาพได้เฉพาะกระบวนการที่ย้อนกลับได้ซึ่งสามารถกระตุ้นซ้ำได้หลายล้านครั้งเท่านั้น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไดนามิก (Dynamic TEM) สามารถแยกแยะกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ถึงระดับหลายสิบนาโนวินาทีและหลายสิบนาโนเมตร^{[ 105 ]}

เทคนิคนี้ได้รับการบุกเบิกในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ในห้องปฏิบัติการในประเทศเยอรมนี ( Technische Universität Berlin ^{[ 100 ]} ) และในสหรัฐอเมริกา ( Caltech ^{[ 106 ] [ 107 ]} และLawrence Livermore National Laboratory ^{[ 108 ] [ 109 ]} ) Ultrafast TEM และ Dynamic TEM ทำให้สามารถตรวจสอบปรากฏการณ์ทางกายภาพและเคมีจำนวนมากในระดับนาโนได้แบบเรียลไทม์

เทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความเร็วสูงพิเศษที่น่าสนใจอีกรูปแบบหนึ่งคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสนามใกล้ที่เหนี่ยวนำด้วยโฟตอน (PINEM) ซึ่งเทคนิคหลังนี้อาศัยการเชื่อมต่อแบบไม่ยืดหยุ่นระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอนเมื่อมีพื้นผิวหรือโครงสร้างนาโนอยู่^{[ 110 ]}วิธีนี้ช่วยให้สามารถตรวจสอบสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดนาโนที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนได้ รวมถึงสามารถปรับรูปร่างคุณสมบัติของคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนได้อย่างไดนามิก

เทคนิค TEM มีข้อเสียอยู่หลายประการ วัสดุหลายชนิดต้องมีการเตรียมตัวอย่างอย่างละเอียดเพื่อให้ได้ตัวอย่างที่บางพอที่จะโปร่งใสต่ออิเล็กตรอน ซึ่งทำให้การวิเคราะห์ด้วย TEM เป็นกระบวนการที่ใช้เวลานานและมีปริมาณตัวอย่างที่วิเคราะห์ได้ต่ำ โครงสร้างของตัวอย่างอาจเปลี่ยนแปลงไปในระหว่างกระบวนการเตรียมตัวอย่าง นอกจากนี้ขอบเขตการมองเห็นยังค่อนข้างแคบ ทำให้มีความเป็นไปได้ที่บริเวณที่วิเคราะห์อาจไม่ใช่ลักษณะเฉพาะของตัวอย่างทั้งหมด และมีโอกาสที่ตัวอย่างอาจเสียหายจากลำแสงอิเล็กตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของวัสดุชีวภาพ

ขีดจำกัดของความละเอียดที่สามารถทำได้ใน TEM อาจอธิบายได้หลายวิธี และโดยทั่วไปจะเรียกว่าขีดจำกัดข้อมูลของกล้องจุลทรรศน์ ค่าที่ใช้กันทั่วไปค่าหนึ่งคือค่าตัดของฟังก์ชันการถ่ายโอนความคมชัดซึ่งเป็นฟังก์ชันที่มักจะอ้างอิงในโดเมนความถี่เพื่อกำหนดการสร้างความถี่เชิงพื้นที่ของวัตถุในระนาบวัตถุโดยเลนส์กล้องจุลทรรศน์ ความถี่ตัดqmax สำหรับ ^{ฟังก์ชัน}การถ่ายโอนอาจประมาณได้ด้วยสมการต่อไปนี้ โดยที่_Cs คือสัมประสิทธิ์ความคลาดเคลื่อนทรงกลมและλคือความยาวคลื่นอิเล็กตรอน: ^{[ 39} _]

${\displaystyle q_{\max }={\frac {1}{0.67(C_{\text{s}}\lambda ^{3})^{1/4}}}.}$

สำหรับกล้องจุลทรรศน์ 200 kV ที่มีการแก้ไขความคลาดทรงกลมบางส่วน ("ถึงลำดับที่สาม") และ ค่า C _sเท่ากับ 1 μm ^{[ 112 ]}ค่าตัดทางทฤษฎีอาจเป็น 1/ q _max = 42  pm ^{[ 39 ]}กล้องจุลทรรศน์เดียวกันนี้หากไม่มีตัวแก้ไขจะมีC _s = 0.5 mm และดังนั้นจึงมีค่าตัดที่ 200 pm [ ^{112 ]}ความคลาดทรงกลมจะถูกระงับถึงลำดับที่สามหรือห้าในกล้องจุลทรรศน์ " ที่แก้ไขความคลาดเคลื่อน " อย่างไรก็ตาม ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์เหล่านี้ถูกจำกัดด้วยรูป ^ทรงเรขาคณิตของแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน ความสว่าง และความคลาดเคลื่อนสีในระบบเลนส์วัตถุ^{[ 19 ] [ 113 ]}

การแสดงฟังก์ชันการถ่ายโอนความคมชัดในโดเมนความถี่มักจะมีลักษณะเป็นแบบสั่น^{[ 114 ]}ซึ่งสามารถปรับแต่งได้โดยการปรับค่าโฟกัสของเลนส์วัตถุ ลักษณะการสั่นนี้หมายความว่าความถี่เชิงพื้นที่บางส่วนจะถูกสร้างภาพโดยกล้องจุลทรรศน์อย่างถูกต้อง ในขณะที่ความถี่อื่นๆ จะถูกระงับ การรวมภาพหลายภาพที่มีความถี่เชิงพื้นที่ต่างกัน การใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การสร้างภาพชุดโฟกัสใหม่ สามารถใช้เพื่อปรับปรุงความละเอียดของ TEM ได้ในระดับหนึ่ง^{[ 39 ]}ฟังก์ชันการถ่ายโอนความคมชัดสามารถประมาณค่าได้ในระดับหนึ่งในเชิงทดลองผ่านเทคนิคต่างๆ เช่น การแปลงฟูริเยร์ของภาพของวัสดุอสัณฐาน เช่นคาร์บอนอสัณฐาน

เมื่อไม่นานมานี้ ความก้าวหน้าในการออกแบบตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อนสามารถลดความคลาดเคลื่อนทรงกลมได้^{[ 115 ]}และบรรลุความละเอียดต่ำกว่า 0.5 อังสตรอม (50 pm) ^{[ 113 ]}ที่กำลังขยายมากกว่า 50 ล้านเท่า^{[ 116 ]}ความละเอียดที่ได้รับการปรับปรุงช่วยให้สามารถถ่ายภาพอะตอมที่เบากว่าซึ่งกระจายอิเล็กตรอนได้น้อยกว่า เช่น อะตอมลิเธียมในวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียม^{[ 117 ]}ความสามารถในการกำหนดตำแหน่งของอะตอมภายในวัสดุทำให้ HRTEM เป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับ การวิจัยและพัฒนา นาโนเทคโนโลยีในหลายสาขา รวมถึงการเร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันและการพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สำหรับอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์^{[ 118 ]}

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านแสง

วิกิบุ๊คด้านนาโนเทคโนโลยีมีหน้าหนึ่งที่เกี่ยวกับหัวข้อ: กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM)

• ศูนย์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแห่งชาติ เบิร์กลีย์ รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา
• ศูนย์แห่งชาติเพื่อการถ่ายภาพระดับโมเลกุลขนาดใหญ่ ฮิวสตัน รัฐเท็กซัส สหรัฐอเมริกา
• ศูนย์ทรัพยากรแห่งชาติสำหรับกล้องจุลทรรศน์โมเลกุลอัตโนมัติ นิวยอร์ก สหรัฐอเมริกา
• หลักสูตรติวสอบเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน
• ชุดสื่อการสอนและการเรียนรู้ของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เกี่ยวกับ TEM
• หลักสูตรออนไลน์เรื่องกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านและข้อบกพร่องของผลึกโดย เอริค สแตช (2008)
• โปรแกรมจำลองกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (เครื่องมือการสอน)
• ภาพเคลื่อนไหวและคำอธิบายเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์ประเภทต่างๆ รวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (มหาวิทยาลัยปารีสใต้)