Jenis mikroskop yang biasa Anda temukan di ruang kelas atau laboratorium sains adalah mikroskop optik. Mikroskop optik menggunakan cahaya untuk memperbesar gambar hingga 2000x (biasanya jauh lebih sedikit) dan memiliki resolusi sekitar 200 nanometer. Sebaliknya, mikroskop elektron menggunakan berkas elektron alih-alih cahaya untuk membentuk gambar. Pembesaran mikroskop elektron bisa setinggi 10.000.000x, dengan resolusi 50 pikometer (0,05 nanometer).
Keuntungan menggunakan mikroskop elektron daripada mikroskop optik adalah pembesaran dan daya resolusi yang jauh lebih tinggi. Kerugiannya termasuk biaya dan ukuran peralatan, persyaratan untuk pelatihan khusus untuk menyiapkan sampel untuk mikroskop dan menggunakan mikroskop, dan kebutuhan untuk melihat sampel dalam ruang hampa (meskipun beberapa sampel terhidrasi dapat digunakan).
Cara termudah untuk memahami cara kerja mikroskop elektron adalah membandingkannya dengan mikroskop cahaya biasa. Dalam mikroskop optik, Anda melihat melalui lensa mata dan lensa untuk melihat gambar yang diperbesar dari spesimen. Pengaturan mikroskop optik terdiri dari spesimen, lensa, sumber cahaya, dan gambar yang dapat Anda lihat.
Dalam mikroskop elektron, seberkas elektron menggantikan sorot cahaya. Spesimen perlu dipersiapkan secara khusus agar elektron dapat berinteraksi dengannya. Udara di dalam ruang spesimen dipompa keluar untuk membentuk ruang hampa karena elektron tidak melakukan perjalanan jauh dalam gas. Alih-alih lensa, kumparan elektromagnetik memfokuskan berkas elektron. Elektromagnet menekuk berkas elektron dengan cara yang sama seperti lensa menekuk cahaya. Gambar diproduksi oleh elektron, sehingga dapat dilihat dengan mengambil foto (mikrograf elektron) atau dengan melihat spesimen melalui monitor.
Ada tiga jenis utama mikroskop elektron, yang berbeda sesuai dengan bagaimana gambar terbentuk, bagaimana sampel disiapkan, dan resolusi gambar. Ini adalah transmisi electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), dan scanning tunneling microscopy (STM).
Mikroskop elektron pertama yang ditemukan adalah mikroskop elektron transmisi. Dalam TEM, berkas elektron tegangan tinggi sebagian ditransmisikan melalui spesimen yang sangat tipis untuk membentuk gambar pada pelat fotografi, sensor, atau layar fluoresens. Gambar yang terbentuk adalah dua dimensi dan hitam dan putih, semacam seperti sinar-x. Keuntungan dari teknik ini adalah bahwa ia mampu perbesaran dan resolusi yang sangat tinggi (sekitar urutan besarnya lebih baik daripada SEM). Kerugian utama adalah bahwa ia bekerja paling baik dengan sampel yang sangat tipis.
Dalam pemindaian mikroskop elektron, berkas elektron dipindai di seluruh permukaan sampel dalam pola raster. Gambar dibentuk oleh elektron sekunder yang dipancarkan dari permukaan ketika mereka tertarik oleh berkas elektron. Detektor memetakan sinyal elektron, membentuk gambar yang menunjukkan kedalaman bidang di samping struktur permukaan. Meskipun resolusinya lebih rendah dari TEM, SEM menawarkan dua keuntungan besar. Pertama, itu membentuk gambar tiga dimensi dari spesimen. Kedua, dapat digunakan pada spesimen yang lebih tebal, karena hanya permukaan yang dipindai.
Baik dalam TEM maupun SEM, penting untuk menyadari bahwa gambar tidak harus mewakili representasi sampel secara akurat. Spesimen dapat mengalami perubahan karena persiapannya untuk mikroskop, dari paparan ke vakum, atau dari paparan ke berkas elektron.
Gambar scanning tunneling microscope (STM) muncul pada level atom. Ini adalah satu-satunya jenis mikroskop elektron yang dapat mencitrakan individu atom. Resolusinya sekitar 0,1 nanometer, dengan kedalaman sekitar 0,01 nanometer. STM dapat digunakan tidak hanya dalam ruang hampa udara, tetapi juga di udara, air, dan gas dan cairan lainnya. Dapat digunakan pada rentang suhu yang luas, dari mendekati nol mutlak hingga lebih dari 1000 derajat C.
STM didasarkan pada kuantum tunneling. Ujung konduksi listrik dibawa dekat permukaan sampel. Ketika perbedaan tegangan diterapkan, elektron dapat terowongan antara ujung dan spesimen. Perubahan arus tip diukur saat dipindai di sampel untuk membentuk gambar. Tidak seperti jenis mikroskop elektron lainnya, instrumen ini terjangkau dan mudah dibuat. Namun, STM membutuhkan sampel yang sangat bersih dan sulit untuk membuatnya bekerja.