Uobičajeni tip mikroskopa koji se može naći u učionici ili naučnom laboratoriju je optički mikroskop. Optički mikroskop koristi svjetlost za uvećanje slike do 2000x (obično puno manje) i rezolucije je oko 200 nanometara. S druge strane, elektronski mikroskop koristi snop elektrona nego svjetlost za oblikovanje slike. Uvećanje elektronskog mikroskopa može biti veće od 10 000 000 x, rezolucije 50 pikometara (0,05 nanometara).
Prednosti upotrebe elektronskog mikroskopa nad optičkim mikroskopom su puno veća mogućnost povećavanja i razlučivanja. Nedostaci uključuju troškove i veličinu opreme, zahtjev za posebnom obukom za pripremu uzoraka za mikroskopiju i uporabu mikroskopa i potrebu za pregledom uzoraka u vakuumu (iako se mogu koristiti neki hidratizirani uzorci).
Najlakši način da shvatite kako funkcionira elektronski mikroskop je usporedba s običnim svjetlosnim mikroskopom. U optičkom mikroskopu gledate kroz okular i leću kako biste vidjeli uvećanu sliku uzorka. Postavljanje optičkog mikroskopa sastoji se od uzorka, leće, izvora svjetlosti i slike koju možete vidjeti.
U elektronskom mikroskopu snop elektrona zauzima mjesto snopa svjetlosti. Uzorak treba posebno pripremiti kako bi elektroni mogli komunicirati s njim. Zrak unutar komore za uzorke se ispumpava i stvara vakuum, jer elektroni ne putuju daleko u plinu. Umjesto leća, elektromagnetski svici fokusiraju snop elektrona. Elektromagneti savijaju snop elektrona na isti način na koji leće savijaju svjetlost. Slika je proizvela tvrtka elektroni, pa se prikazuje ili fotografiranjem (elektronskim mikrografom) ili gledanjem uzorka kroz monitor.
Postoje tri glavne vrste elektronske mikroskopije, koje se razlikuju prema načinu stvaranja slike, načinu pripreme uzorka i rezoluciji slike. To su transmisiona elektronska mikroskopija (TEM), skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) i skenirajuća tunelozna mikroskopija (STM).
Prvi elektronski mikroskopi koji su izumljeni bili su prijenosni elektronski mikroskopi. U TEM-u se visokonaponski elektronski snop djelomično prenosi kroz vrlo tanki uzorak da bi se stvorila slika na fotografskoj ploči, senzoru ili fluorescentnom zaslonu. Slika koja se formira je dvodimenzionalna i crno-bijela, nalik na an rendgen. Prednost tehnike je u tome što je sposobna za vrlo veliko povećanje i razlučivost (otprilike za red veličine boljih od SEM). Ključni nedostatak je taj što najbolje radi s vrlo tankim uzorcima.
Kod skenirajuće elektronske mikroskopije snop elektrona se skenira preko površine uzorka rasterski. Slika nastaje sekundarnim elektronima koji se ispuštaju iz površine kada ih pobuduje snop elektrona. Detektor preslikava elektronske signale, tvoreći zajedno s površinskom strukturom sliku koja pokazuje i dubinu polja. Iako je razlučivost niža od one u TEM-u, SEM nudi dvije velike prednosti. Prvo, formira trodimenzionalnu sliku uzorka. Drugo, može se koristiti na debljim primjercima jer se skenira samo površina.
I u TEM-u i SEM-u važno je shvatiti da slika nije nužno točan prikaz uzorka. Uzorak može doživjeti promjene zbog pripreme za mikroskop, od izlaganja vakuumu ili od izlaganja elektronskom snopu.
Skenirajući tunelirajući mikroskop (STM) oslikava površine na atomskoj razini. To je jedina vrsta elektronske mikroskopije koja može slikati pojedinca atomi. Njegova razlučivost iznosi oko 0,1 nanometra, a dubina od oko 0,01 nanometra. STM se može koristiti ne samo u vakuumu, već i u zraku, vodi i drugim plinovima i tekućinama. Može se koristiti u širokom temperaturnom rasponu, od skoro apsolutne nule do preko 1000 stupnjeva C.
STM se temelji na kvantnom tuneliranju. Električni provodni vrh dovodi se blizu površine uzorka. Kad se primijeni razlika napona, elektroni se mogu tunelirati između vrha i uzorka. Promjena struje vrha mjeri se tako što se skenira kroz uzorak do formiranja slike. Za razliku od drugih vrsta elektronske mikroskopije, instrument je pristupačan i lako se izrađuje. No, STM zahtijeva iznimno čiste uzorke i može biti teško zaraditi ga.