Typowym typem mikroskopu, który można znaleźć w klasie lub laboratorium naukowym, jest mikroskop optyczny. Mikroskop optyczny wykorzystuje światło do powiększenia obrazu do 2000x (zwykle znacznie mniej) i ma rozdzielczość około 200 nanometrów. Z drugiej strony mikroskop elektronowy wykorzystuje obraz do wytworzenia wiązki elektronów, a nie światła. Powiększenie mikroskopu elektronowego może wynosić nawet 10 000 000x, przy rozdzielczości 50 pikometrów (0,05 nanometra).
Zaletą stosowania mikroskopu elektronowego w porównaniu z mikroskopem optycznym jest znacznie większe powiększenie i moc rozdzielcza. Wady obejmują koszt i rozmiar sprzętu, wymóg specjalnego szkolenia w celu przygotowania próbek do mikroskopii i korzystania z mikroskopu oraz konieczność oglądania próbek w odkurzaczu (chociaż można zastosować niektóre uwodnione próbki).
Najłatwiejszym sposobem zrozumienia działania mikroskopu elektronowego jest porównanie go ze zwykłym mikroskopem świetlnym. W mikroskopie optycznym patrzysz przez okular i soczewkę, aby zobaczyć powiększony obraz próbki. Konfiguracja mikroskopu optycznego składa się z próbki, soczewek, źródła światła i obrazu, który można zobaczyć.
W mikroskopie elektronowym wiązka elektronów zastępuje wiązkę światła. Próbka musi być specjalnie przygotowana, aby elektrony mogły z nią oddziaływać. Powietrze wewnątrz komory próbki jest wypompowywane z wytworzeniem próżni, ponieważ elektrony nie przemieszczają się daleko w gazie. Zamiast soczewek cewki elektromagnetyczne skupiają wiązkę elektronów. Elektromagnesy wyginają wiązkę elektronów w podobny sposób, w jaki soczewki wyginają światło. Obraz jest produkowany przez elektrony, więc jest on oglądany albo przez zrobienie zdjęcia (mikrografia elektronowa), albo przez obejrzenie próbki przez monitor.
Istnieją trzy główne typy mikroskopii elektronowej, które różnią się w zależności od tego, jak powstaje obraz, jak przygotowuje się próbkę i rozdzielczość obrazu. Są to transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i skaningowa mikroskopia tunelowa (STM).
Pierwszymi wynalezionymi mikroskopami elektronowymi były transmisyjne mikroskopy elektronowe. W TEM wiązka elektronów wysokiego napięcia jest częściowo przenoszona przez bardzo cienką próbkę, aby utworzyć obraz na płycie fotograficznej, czujniku lub ekranie fluorescencyjnym. Powstały obraz jest dwuwymiarowy i czarno-biały, jakby prześwietlenie. Zaletą tej techniki jest to, że jest w stanie uzyskać bardzo duże powiększenie i rozdzielczość (o rząd wielkości lepszą niż SEM). Główną wadą jest to, że najlepiej działa z bardzo cienkimi próbkami.
W skaningowej mikroskopii elektronowej wiązka elektronów jest skanowana na powierzchni próbki w układzie rastrowym. Obraz jest tworzony przez elektrony wtórne emitowane z powierzchni, gdy są one wzbudzane przez wiązkę elektronów. Detektor mapuje sygnały elektronowe, tworząc obraz pokazujący głębię pola oprócz struktury powierzchni. Chociaż rozdzielczość jest niższa niż w TEM, SEM oferuje dwie duże zalety. Po pierwsze, tworzy trójwymiarowy obraz próbki. Po drugie, można go stosować na grubszych próbkach, ponieważ skanowana jest tylko powierzchnia.
Zarówno w TEM, jak i SEM ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że obraz niekoniecznie jest dokładnym odwzorowaniem próbki. Okaz może ulec zmianie ze względu na jego przygotowanie do mikroskop, z ekspozycji na próżnię lub z ekspozycji na wiązkę elektronów.
Skanujący mikroskop tunelowy (STM) obrazuje powierzchnie na poziomie atomowym. Jest to jedyny rodzaj mikroskopii elektronowej, który może obrazować osobę atomy. Jego rozdzielczość wynosi około 0,1 nanometra, a głębokość około 0,01 nanometra. STM może być stosowany nie tylko w próżni, ale także w powietrzu, wodzie i innych gazach i cieczach. Może być stosowany w szerokim zakresie temperatur, od bliskiego zera absolutnego do ponad 1000 stopni C.
STM opiera się na tunelowaniu kwantowym. Końcówka przewodząca prąd elektryczny jest umieszczona blisko powierzchni próbki. Po zastosowaniu różnicy napięcia elektrony mogą tunelować między końcówką a próbką. Zmiana prądu końcówki jest mierzona podczas skanowania na próbce w celu utworzenia obrazu. W przeciwieństwie do innych rodzajów mikroskopii elektronowej, instrument jest niedrogi i łatwy do wykonania. Jednak STM wymaga wyjątkowo czystych próbek i może być trudne do uruchomienia.