Ο συνηθισμένος τύπος μικροσκοπίου που μπορεί να βρείτε σε εργαστήριο τάξεων ή επιστημών είναι ένα οπτικό μικροσκόπιο. Ένα οπτικό μικροσκόπιο χρησιμοποιεί φως για να μεγεθύνει μια εικόνα έως 2000x (συνήθως πολύ λιγότερο) και έχει ανάλυση περίπου 200 νανόμετρα. Ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιεί μια δέσμη ηλεκτρονίων αντί για το φως για να σχηματίσει την εικόνα. Η μεγέθυνση ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μπορεί να φθάσει τα 10.000.000x, με ανάλυση 50 picometers (0.05 nm).
Τα πλεονεκτήματα της χρήσης ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σε οπτικό μικροσκόπιο είναι πολύ μεγαλύτερη ισχύς μεγέθυνσης και ανάλυσης. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν το κόστος και το μέγεθος του εξοπλισμού, την απαίτηση για ειδική εκπαίδευση για την προετοιμασία δειγμάτων για μικροσκοπία και τη χρήση του μικροσκοπίου και την ανάγκη να δει κανείς τα δείγματα σε κενό (αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ορισμένα ενυδατωμένα δείγματα).
Ο ευκολότερος τρόπος να κατανοήσετε πώς λειτουργεί ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο είναι να το συγκρίνετε με ένα συνηθισμένο μικροσκόπιο φωτός. Σε οπτικό μικροσκόπιο, κοιτάζετε μέσα από έναν προσοφθάλμιο φακό και φακό για να δείτε μια μεγεθυμένη εικόνα ενός δείγματος. Η ρύθμιση οπτικού μικροσκοπίου αποτελείται από ένα δείγμα, φακούς, μια πηγή φωτός και μια εικόνα που μπορείτε να δείτε.
Σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μια δέσμη ηλεκτρονίων παίρνει τη θέση της δέσμης φωτός. Το δείγμα πρέπει να προετοιμαστεί ειδικά έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να μπορούν να αλληλεπιδράσουν με αυτό. Ο αέρας μέσα στο θάλαμο δείγματος αντλείται έξω για να σχηματίσει ένα κενό επειδή τα ηλεκτρόνια δεν ταξιδεύουν πολύ μέσα σε ένα αέριο. Αντί των φακών, οι ηλεκτρομαγνητικοί πηνία επικεντρώνονται στη δέσμη ηλεκτρονίων. Οι ηλεκτρομαγνήτες κάμπτουν τη δέσμη ηλεκτρονίων κατά τον ίδιο τρόπο με τον οποίο οι φακοί κάμπτονται. Η εικόνα παράγεται από ηλεκτρόνια, επομένως θεωρείται είτε με τη λήψη μιας φωτογραφίας (ηλεκτρονική μικρογραφία) είτε με την προβολή του δείγματος μέσω μίας οθόνης.
Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, οι οποίοι διαφέρουν ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο διαμορφώνεται η εικόνα, τον τρόπο προετοιμασίας του δείγματος και την ανάλυση της εικόνας. Αυτά είναι η μικροσκοπία μετάδοσης ηλεκτρονίων (TEM), η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και η μικροσκοπία σήμανσης σάρωσης (STM).
Τα πρώτα ηλεκτρονικά μικροσκόπια που θα εφευρεθούν ήταν ηλεκτρονικά μικροσκόπια μετάδοσης. Στο TEM, μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής τάσης μεταδίδεται μερικώς μέσω ενός πολύ λεπτού δείγματος για να σχηματίσει μια εικόνα σε μια φωτογραφική πλάκα, αισθητήρα ή φθορίζουσα οθόνη. Η εικόνα που σχηματίζεται είναι διδιάστατη και ασπρόμαυρη, σαν μια ακτινογραφία. Το πλεονέκτημα της τεχνικής είναι ότι είναι ικανό για πολύ μεγάλη μεγέθυνση και ανάλυση (περίπου μία τάξη μεγέθους καλύτερη από το SEM). Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι λειτουργεί καλύτερα με πολύ λεπτά δείγματα.
Στην ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, η δέσμη των ηλεκτρονίων σαρώνεται στην επιφάνεια ενός δείγματος σε ένα σχέδιο ράστερ. Η εικόνα σχηματίζεται από δευτερεύοντα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την επιφάνεια όταν διεγείρονται από τη δέσμη ηλεκτρονίων. Ο ανιχνευτής χαρτώνει τα σήματα ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας μια εικόνα που δείχνει το βάθος του πεδίου επιπλέον της δομής της επιφάνειας. Ενώ η ανάλυση είναι χαμηλότερη από αυτή του TEM, η SEM προσφέρει δύο μεγάλα πλεονεκτήματα. Πρώτον, σχηματίζει μια τρισδιάστατη εικόνα ενός δείγματος. Δεύτερον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε παχύτερα δείγματα, αφού μόνο η επιφάνεια σαρώνεται.
Και στα δύο TEM και SEM, είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσουμε ότι η εικόνα δεν είναι απαραίτητα ακριβής αναπαράσταση του δείγματος. Το δείγμα ενδέχεται να παρουσιάσει αλλαγές λόγω της προετοιμασίας του για το μικροσκόπιο, από την έκθεση στο κενό ή από την έκθεση στη δέσμη ηλεκτρονίων.
Ένα μικροσκόπιο σήμανσης σάρωσης (STM) απεικονίζει επιφάνειες στο ατομικό επίπεδο. Είναι ο μόνος τύπος ηλεκτρονικής μικροσκοπίας που μπορεί να απεικονίσει μεμονωμένα άτομα. Η ανάλυσή του είναι περίπου 0,1 νανόμετρα, με βάθος περίπου 0,01 νανομέτρων. Το STM μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο σε κενό, αλλά και στον αέρα, το νερό και άλλα αέρια και υγρά. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, από σχεδόν απόλυτο μηδέν έως πάνω από 1000 βαθμούς Κελσίου.
Το STM βασίζεται στην κβαντική σήραγγα. Μια ηλεκτρική άκρη οδηγείται κοντά στην επιφάνεια του δείγματος. Όταν εφαρμόζεται διαφορά τάσης, τα ηλεκτρόνια μπορούν να τούνουν μεταξύ της άκρης και του δείγματος. Η μεταβολή του ρεύματος του άκρου μετριέται καθώς σαρώεται σε όλο το δείγμα για να σχηματίσει μια εικόνα. Σε αντίθεση με άλλους τύπους ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, το όργανο είναι προσιτό και εύκολα κατασκευασμένο. Ωστόσο, το STM απαιτεί εξαιρετικά καθαρά δείγματα και μπορεί να είναι δύσκολο να το πάρει στη δουλειά.