Den vanliga typen av mikroskop som du kan hitta i ett klassrum eller vetenskapslaboratorium är ett optiskt mikroskop. Ett optiskt mikroskop använder ljus för att förstora en bild upp till 2000x (vanligtvis mycket mindre) och har en upplösning på cirka 200 nanometer. Ett elektronmikroskop använder å andra sidan en elektronstråle snarare än ljus för att bilda bilden. Förstoringen av ett elektronmikroskop kan vara så högt som 10.000.000x, med en upplösning på 50 picometers (0,05 nanometer).
Fördelarna med att använda ett elektronmikroskop jämfört med ett optiskt mikroskop är mycket högre förstoring och upplösningskraft. Nackdelarna inkluderar kostnaden och storleken på utrustningen, kravet på specialutbildning för att förbereda prover för mikroskopi och att använda mikroskopet och behovet av att se proverna i vakuum (även om vissa hydratiserade prover kan användas).
Det enklaste sättet att förstå hur ett elektronmikroskop fungerar är att jämföra det med ett vanligt ljusmikroskop. I ett optiskt mikroskop ser du genom ett okular och en lins för att se en förstorad bild av ett prov. Den optiska mikroskopuppsättningen består av ett prov, linser, en ljuskälla och en bild som du kan se.
I ett elektronmikroskop tar en elektronstråle platsen för ljusstrålen. Provet måste vara speciellt förberett så att elektronerna kan interagera med det. Luften inuti provkammaren pumpas ut för att bilda ett vakuum eftersom elektroner inte reser långt i en gas. Istället för linser fokuserar elektromagnetiska spolar elektronstrålen. Elektromagneterna böjer elektronstrålen på samma sätt som linser böjer ljus. Bilden produceras av elektroner, så det visas antingen genom att ta ett fotografi (ett elektronmikrograf) eller genom att titta på provet genom en bildskärm.
Det finns tre huvudtyper av elektronmikroskopi, som skiljer sig beroende på hur bilden bildas, hur provet bereds och bildens upplösning. Dessa är överföringselektronmikroskopi (TEM), skanningselektronmikroskopi (SEM) och skanningstunnelmikroskopi (STM).
De första elektronmikroskop som uppfanns var transmissionselektronmikroskop. I TEM sänds en högspänningselektronstråle delvis genom ett mycket tunt prov för att bilda en bild på en fotografisk platta, sensor eller lysrör. Bilden som bildas är tvådimensionell och svartvit, liksom en röntgen. Fördelen med tekniken är att den har mycket hög förstoring och upplösning (ungefär en storleksordning bättre än SEM). Den viktigaste nackdelen är att det fungerar bäst med mycket tunna prover.
Vid avsökning av elektronmikroskopi skannas elektronstrålen över provets yta i ett rastermönster. Bilden bildas av sekundära elektroner som släpps ut från ytan när de är upphetsade av elektronstrålen. Detektorn kartlägger elektronsignalerna och bildar en bild som visar fältdjupet utöver ytstrukturen. Medan upplösningen är lägre än TEM, erbjuder SEM två stora fördelar. Först bildar den en tredimensionell bild av ett prov. För det andra kan den användas på tjockare prover eftersom endast ytan skannas.
I både TEM och SEM är det viktigt att inse att bilden inte nödvändigtvis är en exakt representation av provet. Provet kan uppleva förändringar på grund av dess förberedelse för mikroskop, från exponering för vakuum eller från exponering för elektronstrålen.
Ett skanningstunnelmikroskop (STM) visar ytor på atomnivå. Det är den enda typen av elektronmikroskopi som kan avbilda individ atomer. Dess upplösning är cirka 0,1 nanometer, med ett djup på cirka 0,01 nanometer. STM kan användas inte bara i vakuum utan också i luften, vattnet och andra gaser och vätskor. Det kan användas över ett brett temperaturområde, från nästan absolut noll till över 1000 grader C.
STM är baserat på kvanttunneling. En elektrisk ledande spets bringas nära provets yta. När en spänningsskillnad appliceras kan elektroner tunnela mellan spetsen och provet. Förändringen i spetsströmmen mäts när den skannas över provet för att bilda en bild. Till skillnad från andra typer av elektronmikroskopi är instrumentet prisvärt och enkelt att göra. STM kräver emellertid extremt rena prover och det kan vara svårt att få det att fungera.