透射电子显微镜法（TEM，这个缩写也可以指一种仪器，即透射式电子显微镜）是一种显微镜技术，在这种技术中，一束电子束穿透样品以形成图像。样本通常是厚度小于100纳米的超薄切片或网格上的悬浮液。当电子束穿过样品时，电子与样品的相互作用形成图像。随后，图像被放大并聚焦到成像装置上，例如荧光屏，摄影胶片或者传感器。传感器可以是贴在电荷耦合装置上的荧光材料。
由于电子的德布罗意波长更小，透射电子显微镜能够以比光学显微镜高得多的分辨率成像。这使得仪器能够捕捉细微的细节——甚至小到一列原子，这比光学显微镜中可分辨的物体要小几千倍。透射电子显微镜是物理、化学和生物科学中的主要分析方法。TEMs应用于癌症研究、病毒学、材料科学以及污染、纳米技术和半导体研究。
透射电镜仪器拥有大量的工作模式，包括常规成像、扫描透射电镜成像、衍射、光谱学以及它们的结合。即使在传统成像中，也有许多完全不同的方法产生对比，称为“图像对比机制”。对比度可以由很多种方式导致，比如厚度、密度（“质量-厚度对比度”）、原子序数（“Z对比度”，指原子序数的常用缩写Z）、晶体结构或取向（“晶体对比度”或“衍射对比度”）的位置间差异，单个原子在穿过它们的电子中产生的微小量子力学相移（“相位对比度”），电子在穿过样品时损失的能量（“光谱成像”）等。每种机制都告诉用户不同种类的信息，不仅取决于对比机制，还取决于显微镜的使用方式——透镜、光圈和检测器的设置。这意味着透射电镜能够提供各种不同的纳米和原子分辨率信息，在理想情况下，不仅能揭示所有原子的位置，还能揭示它们是什么样的原子以及它们是如何相互结合的。因此，TEM被认为是纳米科学在生物和材料领域里的重要工具。
1931年，马克斯·克诺尔（Max Knoll）和恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）演示了第一个透射电子显微镜，该小组于1933年开发了分辨率大于光的第一个透射电子显微镜，并于1939年开发了第一个商业透射电子显微镜。1986年，罗斯卡因透射电子显微镜的发展而获得诺贝尔物理学奖。[2]
1873年，恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）提出，分辨物体细节的能力大约受限于成像中使用的光的波长，或者可见光显微镜的几百纳米。柯勒（Köhler）和罗尔（Rohr）带领发展的紫外显微镜将分辨率提高了两倍。[3]然而，由于玻璃吸收紫外线，所以需要昂贵的石英光学器件。人们认为由于波长限制，不可能获得具有亚微米信息的图像。[4]
1858年，普吕克（Plücker）利用磁场观察到“阴极射线”（电子）的偏转。[5]费迪南德·布劳恩（Ferdinand Braun）在1897年利用这种效应建造了简单的阴极射线示波器（CrO）测量装置。[6]1891年，里克（Riecke）注意到阴极射线可以被磁场聚焦，因此简单的电磁透镜设计是可行的。1926年汉斯·布斯（Hans Busch）发表了推广这一理论的著作，证明在合理的假设下，制镜者方程可以应用于电子。[2]
1928年，柏林科技大学的高压技术和电气安装教授阿道夫·马蒂亚斯（Adolf Matthias）任命马克斯·克诺尔（Max Knoll）领导一个研究团队推进CRO设计。该团队由包括恩斯特·罗斯卡（Ernst Ruska）和博多·冯·伯瑞斯（Bodo von Borries）在内的几名博士生组成。该研究团队致力于透镜设计和CRO列放置，以优化参数来构建更好的CRO，并使电子光学组件生成低放大倍数（接近1：1）的图像。1931年，这个研究组成功的生成了放置在阳极光圈上的网格的电子放大图像。该设备使用两个磁性透镜来实现更高的放大率，可以说创造了第一台电子显微镜。同年，西门子公司的科学主管莱因霍尔德·卢登堡（Reinhold Rudenberg）申请了静电透镜电子显微镜的专利。[4][7]
当时，电子被理解为带电的物质粒子。直到1927年德布罗意假说发表，电子的波动性质才被完全认识到。[8]诺尔（Knoll）的研究小组直到1932年才知道这件事，随后，他们迅速意识到电子的德布罗意波长比光的波长小许多个数量级，理论上允许原子尺度成像。1932年4月，罗斯卡建议建造一种新的电子显微镜，直接对插入显微镜的样品成像，而不是简单的观察格点或者光圈的像。通过这个设备，人们成功的得到了铝片的衍射图像和正常图像。然而，此时可达到的放大倍数仍然低于光学显微镜。直到1933年9月，通过对棉纤维成像，才了超越光学显微镜的放大倍数。然而由于电子束会损害棉纤维，所以成像速度需要非常快。[4]
这时，人们对电子显微镜的兴趣增加了，其他研究小组，如华盛顿州大学[9]的保罗·安德松（Paul Anderson）和肯尼斯·菲茨西蒙斯（Kenneth Fitzsimmons）以及多伦多大学的阿尔伯特·普雷布斯（Albert Prebus）和詹姆斯·希利尔（James Hillier），他们分别于1935年和1938年在北美建造了第一代电子显微镜，[10]继续推进电子显微镜的设计。
1936年，西门子公司继续对电子显微镜进行研究，研究的目的是开发和改进透射电镜成像性能，尤其是对生物样品的成像。此时，电子显微镜是为不同的研究小组制造的，如英国国家物理实验室使用的EM1设备。[11]1939年，第一台商用电子显微镜，如图所示，被安装在IG Farben-Werke的物理系。由于西门子公司建立的新实验室在第二次世界大战中的一次空袭中被摧毁，同时两名研究人员，海因茨·米勒（Heinz Müller）和弗里德里克·克劳斯（Friedrick Krause）在此期间丧生，电子显微镜的进一步研究工作受到了阻碍。[12]
二战后，罗斯卡重新进行在西门子的工作，继续开发电子显微镜，生产出第一台能够放大10万倍的显微镜。[12]这种带有多级光束制备光学器件的显微镜设计的基本结构仍然用于现代显微镜。随着电子显微镜在英国曼彻斯特、美国（RCA）、德国（西门子）和日本（JEOL）的生产，全球电子显微镜界进步卓然。第一次电子显微镜国际会议于1949年在代尔夫特召开，与会者超过100人。[11]后来的会议包括1950年在巴黎举行的“第一次”国际会议，以及1954年在伦敦举行的会议。
随着透射电子显微镜（TEM）的发展，相应的扫描透射电子显微镜（STEM）技术被重新研究，但20世纪70年代之前仍未取得进展。直到芝加哥大学的阿尔伯特·克鲁（Albert Crewe）开发了场发射枪，[13]并添加了高质量的物镜，从而发明了现代的扫描透射电子显微镜。使用这种设计，克鲁展示了使用环形暗场成像对原子成像的能力。克鲁和他在芝加哥大学的同事发明了冷场电子发射源，同时建造了一台能够对很薄的碳衬底之上的重原子进行观察的扫描透射电子显微镜。[14]2008年，詹尼克·迈耶（Jannick Meyer）等人描述了使用透射电镜和干净的单层石墨烯衬底直接可视化轻原子，例如碳甚至氢。[15]
理论上，光学显微镜所能达到的最大分辨率d受到照射在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径NA的限制：[16]
其中n是透镜工作介质的折射率，α是可以进入透镜的光锥的最大半角（见数值孔径）。[17]二十世纪早期，科学家发现理论上使用电子可以突破可见光波长的限制（波长为400-700纳米）。像所有物质一样，电子既有波又有粒子的特性（基于路易斯-维克多·德布罗意（Louis-Victor de Broglie）的理论），它们的波动特性意味着电子束可以像光一样被聚焦和衍射。电子波长可以通过徳布罗意公式使用电子的动能得出。由于在TEM中，电子的速度接近光速，需要对其进行相对论修正。[18]
其中，h是普朗克常数，m0是电子的静质量，E是加速后电子的能量。电子通常在电子显微镜中通过灯丝（通常是钨）的热离子发射过程产生，其方式与灯泡相同，或者通过场电子发射产生。[19]随后电子通过电势差（单位为伏特）进行加速，并通过静电和电磁透镜聚焦到样品上。透射束包含关于电子密度、相位和周期性的信息；这个光束被用来形成图像。
自上而下，透射电镜由发射源或者阴极组成，阴极可以是钨丝或钨针，也可以是六硼化镧单晶源。[20]电子枪连接到一个高压电源（通常约100–300千伏），如果有足够的电流，电子枪将开始通过热离子或场电子发射向真空中发射电子。在热离子源的情况下，电子源通常安装在维纳尔圆柱电极中，以将发射的电子初步聚焦成束，同时还使用被动反馈电路稳定电流。场发射源使用被称为提取器、抑制器和枪式透镜的静电电极，每个电极上有不同的电压，以控制尖端附近的电场形状和强度。阴极和这些第一静电透镜元件的组合通常被统称为“电子枪”。离开枪后，光束通常被一系列静电板加速，直到达到最终电压，进入显微镜的下一部分：聚光透镜系统。然后，透射电镜的这些上部透镜将电子束进一步聚焦到样品上所需的尺寸和位置。[21]
电子束的操纵是利用两种物理效应进行的。电子与磁场的相互作用将导致电子按照左手定则运动，从而允许电磁铁操纵电子束。使用磁场可以形成可变聚焦能力的磁性透镜，透镜的形状根据磁通量的分布确定。此外，静电场可以使电子偏转一个恒定的角度。通过对电子束进行连续两次相反的偏斜操作，可以使电子束发生平移。允许透射电镜中的电子束偏移对于STEM非常重要。通过这两种效应以及使用电子成像系统，可以对电子束通路进行足够的控制。与光学显微镜不同，透射电子显微镜的光学结构可以快速改变，因为光束路径中的透镜可以通过快速的电子开关开启、改变强度和关闭。其速度受到诸如镜头的磁滞之类的影响的限制。
透射电子显微镜的透镜赋予了它操作模式的灵活性和将光束聚焦到原子尺度并放大到照相机上的图像的能力。透镜通常由螺线管线圈制成，线圈几乎被铁磁材料包围，其设计目的是将线圈磁场集中成精确的、有限的形状。当一个电子进入和离开这个磁场时，它以一种非常像普通玻璃透镜对待光的方式绕着弯曲的磁力线盘旋——它是一个会聚透镜。但是，与玻璃透镜不同，磁透镜可以很容易地通过调节流经线圈的电流来改变其聚焦能力。这让操作变得非常灵活，而当透镜被组装成独立透镜的堆叠时，操作的灵活性进一步增加，每个独立透镜可以聚焦、散焦、放大和/或准直来自前一透镜的光束。这允许光源和样品之间的单透镜系统（“聚光透镜”系统）产生直径超过1毫米的平行光束、小于原子的紧密聚焦光束或介于两者之间的光束。另外一个透镜组，即“中间/投影仪”透镜系统，位于样品之后。可以对其进行调整，让产生的聚焦衍射图案或样品图像的放大倍数在很大范围内变化。许多单个显微镜可以覆盖大约100倍到1000000倍以上的放大范围。
光圈对镜头同样重要。重金属薄带上的圆孔被放置在透镜列中精心挑选的位置。其中一些拥有固定的尺寸和位置，在限制x射线的产生和提高真空性能方面发挥重要作用。它们还能防止电子穿过磁透镜的最外面部分，这是由于此时透镜像差较大，电子束的聚焦效果不好。其他的圆孔能够在几种不同的尺寸之间自由切换，并且位置可调整。这些“可变光阑”用于确定到达样品的束流，并提高聚焦电子束的能力。在样品位置后面的可变光阑进一步允许用户选择用于形成图像或衍射图案的空间位置或电子散射角度的范围。通过巧妙地使用这些光阑，人们可以非常精确和详细地研究晶体中的缺陷。
电子光学系统还包括偏转器和准直器，通常由小电磁铁制成。与透镜不同，偏转器产生的磁场主要用于偏转电子束，而不是聚焦。偏转器允许独立控制电子束在样品位置的位置和角度（这对STEM至关重要），并确保电子束保持在透镜组中每个透镜的低像差中心附近。准直器提供辅助的精细聚焦，补偿引起像散的微小缺陷和像差——透镜在不同方向具有不同的聚焦强度。
一个典型的透射电镜由三个阶段的透镜组成。分别是聚光透镜、物镜和投影透镜。聚光透镜负责初级射束的形成，而物镜聚焦穿过样品本身的射束（在STEM扫描模式下，样品上方也有物镜使入射电子束会聚）。投影透镜用于将电子束投射到荧光屏或其他成像设备上，例如胶片。[21]透射电镜的放大倍数取决于样品和物镜像平面之间的距离比。额外的准直器能够校正不对称的光束畸变，称为像散。需要注意的是，透射电子显微镜的光学配置与实现方式有很大的不同，制造商会使用定制的透镜配置，例如球差校正仪器，[22]或者使用能量滤波来校正电子色差。
透射电镜中的成像系统由荧光屏和可选配的图像记录系统组成，荧光屏可以由细（10-100微米）的硫化锌颗粒制成，供操作者直接观察。图像记录系统包括薄膜基或添加YAG屏幕的耦合CCD。[23]通常，这些装置可以根据需要由操作者移除或插入电子束路径中。
透射电子显微镜由几个部件组成，包括用于传输电子束的真空系统、用于产生电子束的电子发射源、一系列电磁透镜以及静电板。后两者允许操作者根据需要引导和操纵电子束。此外，还需要一个设备将样品移入或移出电子束通路，以及在通路中移动。成像设备随后用用于射出前述系统的的电子束成像。
为了增加电子气体相互作用的平均自由程，标准的透射电子显微镜需要被抽至低压，通常约为10^-4帕。[24]作用有两个方面：第一，可以在阴极和地面之间加以很高的电压，而不会将空气击穿产生电弧，第二，可以将电子和空气原子的撞击频率减小到可以忽略的量级，这个效应通常使用平均自由程来描述。由于样品架和胶片盒等透射电镜部件必须定期插入或更换，所以要求系统能够重新抽成真空。因此，透射电子显微镜配备有多个泵送系统和气闸，并且不是永久真空密封的。
用于将透射电子显微镜抽成达到所需真空度的真空设备，由若干级组成。首先，需要使用旋片泵或者隔膜泵将TEM抽成低真空，以允许涡轮分子泵或者扩散泵将TEM抽至操作所需要的高度真空。为了让低真空泵不必连续运转，而涡轮分子泵连续的进行操作，低压泵的真空端需要与涡轮分子泵级联。[25]透射电子显微镜不同段可以使用门阀隔离，以允许在不同的区域达到不同的真空度，例如在高分辨率透射电子显微镜或者场发射透射电子显微镜的电子枪处，需要真空度达到 10^-4到 10^-7帕，甚至更高的真空。
高压透射电子显微镜需要在10^-7到10^-9帕范围内的超高真空，以防止电弧的产生，特别是在透射电子显微镜的阴极处。[26]因此高压TEM需要第三个真空系统，同时电子枪与主室使用门阀或者差动泵隔离——一个小孔，防止气体分子扩散入高真空电子枪区域的速度超过气体抽出的速度。对于这些非常低的气压，可以使用离子泵或吸气剂材料。
如果透射电子显微镜的真空度达不到所需要的量级，会引起几个问题，从透射电镜内部的气体沉积到样品上（在称为电子束诱导沉积），到由放电引起的更严重的阴极损伤。[26]由于样品导致的真空问题可以通过冷阱技术来吸收样品附近升华的气体。[25]
透射电镜样品台设计包括气闸，其允许样品架插入真空中，从而让显微镜其他区域的真空损失最小。样品夹具适合夹持标准大小的网格，而样品则放置在网格之上，或者直接夹持能够自我支撑的样品。标准透射电镜网格尺寸为直径3.05毫米，厚度和网格尺寸范围为几至100微米。样品放置在直径约为2.5毫米的网格区域。常用网格材料为铜、钼、金或铂。该网格放置在样品架中，样品架与样品台成对放置。根据所进行的实验类型，存在多种多样的载物台和支架设计。除了3.05毫米网格外，有时也使用2.3毫米网格，即使很少使用。这些网格特别用于矿物科学。在矿物科学中，经常需要将样品倾斜很大的角度，并且样品材料可能极其罕见。电子透明样品的厚度通常小于100纳米，但是这个厚度与加速电子的电压相关。
一旦插入透射电镜，经常需要对样品进行操作以使电子束照射在感兴趣的部分上，例如一个单晶粒在某个特殊的角度的衍射。为了兼容这种情况，TEM的样品台需要能够使样品在XY平面平移，在Z方向调节高度，倾斜方向通常平行于侧入口粗体轴。样品旋转可以在专门的衍射支架和平台上进行。一些现代TEMs通过称为双倾斜样品架的专用支架设计，提供了两个正交倾斜运动角度的能力。一些载物台设计，例如曾经在高分辨率透射电镜研究中很常见的顶部进入或垂直插入载物台，可能只提供了X-Y平移。透射电镜载物台的设计准则非常复杂，需要同时考虑到机械和电子光学的限制,不同的方法有专门的模型。
透射电子显微镜载物台需要具有保持样本的能力并被操纵以使感兴趣的区域进入电子束的路径。由于透射电子显微镜工作的放大倍数的调节范围很大，样品台必须高度稳定，不会发生力学漂移。通常要求样品台的漂移速度仅有每分钟几纳米，而移动速度每分钟几微米，精度要求达到纳米的量级。[27]早期的透射电镜设计是通过一套复杂的机械减速装置来实现的，它允许操作者通过几个旋转杆来精细地控制载物台的运动。现代设备可以使用电动载物台的设计，让步进电机与螺旋传动装置相互配合使用，使操作者可以利用计算机输入设备来移动载物台，例如操纵杆或轨迹球。
透射电子显微镜的载物台主要有两个设计，侧入式和顶入式。[23]每种设计都必须配合相应的支架，以允许样品插入，而不会损坏精密的透射电镜光学系统或允许让气体进入TEM的真空区域。
最常见的是侧入式支架，其中样品放置在长金属（黄铜或不锈钢）棒的尖端附近，样品平放在小孔中。沿着杆有几个聚合物真空环，以保证在将样品插入载物台的时候拥有足够的真空气密性。因此，载物台被设计成容纳杆，根据物镜设计将样品放置在物镜之间或附近。当插入载物台时，侧入式支架的尖端伸入TEM的真空腔中，而其末端处在空气中，真空环形成了气闸。
侧入式透射电镜支架的插入过程通常包括旋转样品以触发微动开关，使得样品在插TEM之前就开始对气闸进行抽真空操作。
第二种设计是顶入式支架由一个几厘米长的筒组成，筒轴上钻有一个孔。样品被装入孔中，可能使用一个小螺丝将样品固定在适当的位置。该筒插入气闸室，孔垂直于透射电镜光轴。被密封后，气闸被操纵以推动样品盒进入合适的位置，在该位置钻孔与光束轴对齐，使得光束沿着样品盒钻孔向下射入样品。这种设计通常不能在不阻挡光路或不干扰物镜的情况下倾斜。[23]
透射电镜样品台设计包括 气塞以允许样品架插入真空中，同时显微镜其他区域的真空损失最小。样本架持有标准尺寸的样本网格或自支撑样本。标准透射电镜网格尺寸为3.05 直径为10毫米，厚度和网目尺寸范围为几至100毫米 将样品放置在直径约为2.5的网格区域上 通常的网格材料是铜、钼、金或铂。该网格放置在样品架中，样品架与样品台成对放置。根据所进行的实验类型，存在多种多样的载物台和支架设计。除了3.05 毫米网格，2.3 mm网格有时甚至很少被使用。这些网格特别用于矿物科学，在矿物科学中，可能需要很大程度的倾斜，并且样品材料可能极其罕见。电子透明样品的厚度通常小于100 但是这个值取决于加速电压。
电子枪由几个部件组成：灯丝、偏置电路、维纳尔帽和引出阳极。通过将灯丝和负电压电源相连，电子可以从电子枪“泵”到阳极板和透射电镜柱，从而完成回路。电子枪用于使电子以一定的发散角度射出设备，这个角度被称为电子枪发散半角，α。通过放置带有比灯丝更多负电荷的维纳尔圆柱，呈发散状射出灯丝的电子会在适当的操作下被转变为会聚的形式，其最小尺寸为电子枪的截面直径。
根据理查森定律，热离子发射电流密度，J，与发射材料的功函数有关。
其中，A是理查森常数，Φ是功函数，T是材料的温度。[23]
该等式表明，为了获得足够的电流密度，有必要加热发射器，注意不要因过热而造成损坏。因此，枪丝需要高熔点的材料，如钨，或低功函数的材料（如六硼化镧）。[28]此外，为了实现热离子发射，必须加热六硼化镧和钨热离子源，这可以通过使用小电阻来实现。为了防止热冲击，在向尖端施加电流时通常会有延迟，为了防止热梯度损坏灯丝，对于六硼化镧，延迟通常为几秒钟，而对于钨，这个延迟相对来说非常短。
电子透镜对电子束的作用类似于光学透镜对光线的作用，它可以将平行的电子束聚集在固定的焦点。透镜可以使用静电效应，也可以使用磁效应。透射电子显微镜的电子透镜大多数使用电磁线圈来产生凸透镜的作用。这些透镜产生的场必须是径向对称的，否则会导致像散等像差，并增加球面像差和色差。电子透镜由铁、铁钴或镍钴合金制成，[29]如坡莫合金。选择它们是因为它们的磁特性，例如磁饱和、磁滞和磁导率。
组件包括支架、磁线圈、磁极、极靴和外部控制电路。极片必须以非常对称的方式制造，这样可以提供形成透镜磁场的合适的边界条件。极靴制造中的缺陷会导致磁场对称性的严重失真，这种失真最终会限制透镜重建像平面的能力。透镜的空隙的大小、极靴的内径以及尖端的尺度，还有透镜的整体设计经常通过磁场有限元分析来完成，同时还需要考虑到设计的散热和电气限制。[29]
产生磁场的线圈位于透镜支架内。线圈中的电流可以变化，但是通常使用高电压，因此需要很强的绝缘能力以防止透镜部件短路。散热器需要将由线圈电阻造成的发热散出。绕组可以使用冷水供应进行水冷，以便于消除高热负荷。
光阑是环形金属板，距离光轴超过一定距离的电子将无法通过。这个元件包含的小圆盘厚度足以阻止电子穿过，而中央的电子则可以从孔洞穿过。允许中央的电子通过这一性质在透射电镜中可以同时产生两种效应。首先，当电子从电子束中过滤出来时，光阑降低了电子束强度，满足了某些对电子束强度敏感的样品的需要。其次，光圈可以去掉散射角过大的电子，从而可以削弱球面像差和色差，以及由于电子和样品发生作用的衍射等等不希望出现的现象。[30]
光阑可能是大小固定的，例如在聚光透镜处，也有可能可变，其可以插入电子束通路或取出，或者在垂直于电子束通路的平面中移动。光阑组件允许选择不同光阑尺寸的机械装置，操作者可以使用这些光阑来权衡强度和过滤效果。光圈组件通常配备有测微计，用于移动光圈，这在光学校准过程中是必需的。
电子束穿过样品时会携带有样品的信息，TEM的成像设备使用这些信息来成像。投射透镜将处于正确位置的电子波分布投射在观察系统上。假设成像设备的质量足够高，图像的观察强度I可以近似为与电子波函数的时间平均振幅成比例，这里形成出射束的波函数由ψ表示。[31]
不同的成像方法试图通过修改样品射出的电子束的波函数来得到与样品相关的信息或者电子束本身的信息。从前面的方程可以推断出，观察到的图像不仅取决于电子束波函数的振幅，而且还取决于波函数的相位，尽管在较低的放大倍数下相位效应经常被忽略。更高分辨率的成像需要更薄的样品和更高能量的入射电子，这意味着样品不再被认为是吸收电子（即通过比尔定律效应）。换而言之，样品可以被建模为不改变入射电子波函数的振幅，而是改变入射波的相位的物体；在这个模型中，样本被称为纯相位物体。对于足够薄的样品，相位效应主导了图像，因此需要复杂的分析来得到观察到的图像强度。[31]为了增加图像的对比度，TEM需要轻微散焦。[32]但如果样品不是一个弱相位物体，对比度传输函数卷积以后将会降低图像的对比度。
右图显示了透射电镜的两种基本工作模式——成像和衍射模式。在这两种情况下，样品都用平行电子束照射，平行电子束是用聚光透镜和聚光光阑系统通过电子束成形形成的。与样品相互作用后，在样品的出射表面上存在两种类型的电子——未散射的（对应于衍射图上明亮的中心光束）和散射的电子（由于与材料相互作用而改变它们的轨迹）。
在成像模式下，物镜光阑被插入物镜的后焦平面（形成衍射点的地方）。如果使用物镜光阑，则选择中心电子束（其余信号被阻挡），并获得亮场图像（BF图像）。如果我们允许来自衍射电子的信号，则接受暗场图像（DF图像）。然后，在中间透镜和投影透镜的帮助下，选定的信号被放大并投影到屏幕（或相机）上。此时我们可以得到样品的图像。
在衍射模式下，选定区域光阑用于确定显示信号的样品区域。通过改变中间透镜的强度，衍射图案被投射到屏幕上。衍射是进行细胞重建和晶体取向测定的非常强大的工具。
透射电镜图像中两个相邻区域之间的对比度可以定义为图像平面中电子密度的差异。由于样品对入射束的散射，电子波的振幅和相位发生变化，这相应地导致振幅衬度和相位衬度。大多数图像都有对比度分量。
振幅衬度是在像平面之前丢失了一些电子导致的。在它们与样品相互作用的过程中，一些电子会由于被吸收或极高的散射角度超出了显微镜物理限制而丢失，或者是被物镜光阑阻挡。虽然前两种损失是由于样品和显微镜结构造成的，但操作者可以使用物镜光阑来增强对比度。
右图显示了没有物镜光阑的铂多晶薄膜的透射电镜图像（a）和相应的衍射图（b）。为了增强透射电镜图像中的对比度，应当减少衍射图案中可见的散射电子束的数量。这可以通过选择衍射平面中的特定区域来实现，例如仅选择中心电子束或衍射电子束，或者将两种情况相结合。一种是用通过光阑的电子束包括中心电子束来形成亮场图像（c），一种是把中心电子束挡住用衍射电子束形成暗场图像（d-e）。衍射电子束在衍射图像中用圆圈指出（b）。电子被散射到这些衍射点的颗粒看起来更亮。进一步给出了衍射对比度形成的更多细节。
振幅对比有两种类型——质量对比、厚度对比和衍射对比。首先，让我们考虑质量-厚度对比。当光束照射两个相邻的低质量（或厚度）和高质量（或厚度）区域时，较重的区域以较大的角度散射电子。这些强烈散射的电子在透射电镜的亮场模式下被物镜光阑阻挡。因此，较重的区域在亮场图像中显得较暗（亮度较低）。应该注意的是，质量-厚度对比对于非晶、无定形材料最为重要。
衍射衬度是由于晶粒的特定晶体取向而产生的。在这种情况下，晶体满足所谓的布拉格条件，由此原子平面以高散射概率的方式取向。因此衍射衬度提供了多晶样品中晶体取向的信息。注意，如果存在衍射衬度，对比度不能解释为质量或厚度变化。
衍射衬度
由于电子束射入样品时会发生布拉格散射，样品的衍射对比度信息会由电子束携带出来。例如晶体样品会将电子束散射至后焦平面上离散的点上。通过将光阑也就是物理光阑放置在后焦平面上，可以选择（或排除）期望的布拉格反射，因此在电子散射中，只有造成的产生所选定反射的样品部分才能最终投影到成像设备上。
如果所选择的反射不包括未散射的光束（其将出现在透镜的焦点处），那么在图像上没有样品散射电子束的位置上，也就是没有样品的区域将会是暗的。这样的图像被称为暗场图像。
现代TEMs通常配备样品架，允许用户将样品倾斜一定角度范围，以获得特定的衍射条件，而光阑也放在样品的上方以允许用户选择能够以合适的角度进入样品的电子束。
这种方法的应用包括识别晶体中的晶格缺陷。通过仔细选择样品的方向，不仅可以确定缺陷的位置，还可以确定存在的缺陷类型。如果样品的取向使得一个特定的平面仅稍微偏离最强衍射角（称为布拉格角），那么此晶体平面的任何导致局部偏向布拉格角的扭曲都将产生特别强的对比度变化。然而，仅产生不使晶体倾斜到布拉格角的原子位移（即平行于晶面的位移）的缺陷不会产生强烈的对比度。[33]
相衬
晶体结构也可以通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）来研究，也称为相衬。当使用场发射源和均匀厚度的样品时，由于样品相互作用引起的电子波的相位差异而形成图像。[32]图像形成是由入射电子束的复数模给出的。因此，图像不仅仅取决于撞击屏幕的电子数量，这使得相位对比图像的直接解释更加复杂。然而，这种成像方法的优势在于可以提供有关样品的更多信息，例如在复杂的相位复原技术中。
如前所述，通过调节磁透镜，使得透镜的后焦平面而不是像平面位于成像设备上，可以产生衍射图像。对于薄晶体样品，在单晶的情况下图像由点的图案组成，在多晶或非晶固体材料的情况下则由一系列环组成。对于单晶情况，衍射图案取决于样品的取向和电子束照射的样品结构。衍射图案为研究者提供了晶体中空间群对称性的信息以及晶体方向与电子束路径的关系。通常仅仅根据衍射图样上的衍射点的位置与观测图像的对称性就可以分析出。
衍射图像的动态范围通常可以很大，并且对于晶体样品，其强度可以大于电荷耦合器件能够记录的强度。因此，为了获得这些图像，TEMs可能仍然配备有胶片暗盒，因为胶片是一次性探测器。
衍射点位置以外的衍射图案的分析可能很复杂，因为图像对许多因素敏感，例如样品厚度和方向、物镜散焦、球面像差和色差。尽管对点阵图像中显示的对比度进行定量解释是可能的，但这种分析很复杂，需要大量的计算机模拟和分析，如电子多层分析。[34]
衍射平面还有更加复杂的表现，例如晶体格点的多次衍射造成的菊池线。在会聚束电子衍射（CBED）中，会聚电子束在样品表面形成一个极细的探针，从而产生了不平行的会聚波前，而汇聚电子束与样品的作用可以提供样品结构以外的信息，例如样品的厚度。
电子能量损失
对于相应配备的透射电镜，使用先进的电子能量损失谱技术（ELES），利用基于扇形磁场的ELE光谱仪，根据电子的速度（这与它们的动能密切相关，因此也与电子束的能量损失密切相关）将电子分成一个谱。这些装置允许选择特定的能量值，这可以根据电子与样品相互作用的方式来选择。例如，样品中不同的元素可以导致射出样品的电子能量不同。这种效应通常会导致色散，但是这种效应却可以用来生成显示元素成分的信息图像，该图像基于电子-电子相互作用期间的原子跃迁。[35]
EELS光谱仪通常可以在光谱和成像模式下工作，允许分离或剔除弹性散射的光束。对于许多图像，非弹性散射将包括研究者可能不感兴趣的信息，从而降低了感兴趣的可观察信号，通过剔除不想要的成分，EELS成像可用于增强观察图像的对比度，包括明场和衍射。
由于透射电镜样品支架通常允许样品旋转所需的角度，所以通过沿着垂直于光束的轴旋转样品，可以获得同一样品的多个视图。通过以不同角度拍摄单个透射电镜样品的多个图像，通常以1度为增量，可以收集一组被称为“倾斜系列”的图像。这种方法是沃尔特·霍普（Walter Hoppe）在20世纪70年代提出的。在纯吸收对比条件下，这组图像可用于构建样品的三维表示。[37]
重建是通过两步完成的，首先对准图像以校正样品定位中的误差；这种误差可能由于振动或机械漂移而发生。[38]对准方法使用图像配准算法，例如自相关方法来校正这些误差。其次，使用重建算法，例如滤波反投影，对准的图像切片可以从一组二维图像Ij（x，y）转换成单个三维图像Ij（x，y，z）。当需要形态学信息时，这种三维图像特别有意义，可以使用计算机算法进行进一步的研究，例如使用等值面和数据切片来分析数据。
由于观察时透射电镜样品通常不能旋转180°，所以观察到的图像通常遭受数据的“缺失楔形”，这在使用基于傅立叶的反投影方法时减小了三维重建中可分辨频率的范围。[37]机械改进，例如多轴倾斜（同一样品在两个正交方向上的进行倾斜）和锥形断层摄影（其中样品首先倾斜到给定的角度，然后通过样品网格平面内的一次完整旋转以相等的角度旋转增量成像）可用于限制缺失数据对观察到的样品形态的影响。利用聚焦离子束铣削，提出了一种新的技术，[39]该技术使用柱状样品和专用的轴上断层摄影支架在透射电镜中对物镜的极靴内的样品进行180°旋转。使用这种布置，可以进行没有缺失楔形的定量电子断层摄影。[40]此外，还存在可以改进所收集数据的数值技术。
所有上述方法都包括记录给定样本场的倾斜系列。这不可避免地导致样品中高剂量反应电子的总和，并伴随着记录过程中细微细节的破坏。因此，定期应用低剂量（最小剂量）成像技术来减轻这种影响。低剂量成像是通过将照明和成像区域同时从光轴偏转到要记录区域（高剂量区域）的邻近区域成像来实现的。该区域在倾斜过程中保持居中，并在记录前重新对焦。在记录期间，去除偏转，使得感兴趣的区域仅在成像所需的持续时间内暴露于电子束。该技术的一个改进是（对倾斜基片上的物体）有两个对称的离轴区域用于对焦，然后将对焦设置为两个高剂量对焦值的平均值，再记录感兴趣的低剂量区域。
这种方法的非断层摄影变体被称为单粒子分析，使用多个（希望）相同物体在不同方向的图像来产生三维重建所需的图像数据。如果物体没有明显的优选取向，该方法不会受到断层摄影方法产生的缺失数据楔（或锥形），也不会产生过多的辐射剂量，但是它假设成像的不同物体生成的三维数据可以被认为是来源于同一个稳定的物体。
透射电镜样品制备可能是一个复杂的过程。[41]对于常规透射电镜，透射电镜样品的厚度应小于100纳米。与中子或x光辐射不同，电子束中的电子很容易与样品相互作用，这种效应大致随着原子序数的平方（Z^2）而增加。[16]高质量样品的厚度与穿过样品的电子的平均自由程相当，可能只有几十纳米。透射电镜样品的制备方式取决于所分析的材料种类和从样品中获得的信息类型。
尺寸小到足以透过电子的材料，如粉末状物质、小生物、病毒或纳米管，可以通过将含有样品的稀释样品沉积到支撑网格上的薄膜上来快速制备。生物样品可以嵌入树脂中，以承受样品室中的高真空，并能够将组织切割成对于电子而言是透明的薄切片。生物样品可以用阴性染色材料，如对细菌和病毒进行醋酸铀酰染色，抑或在嵌入切片的情况下，可以用重金属，包括四氧化锇染色。或者将样品包埋在玻璃冰中，然后在液氮温度下保存。[42]在材料科学和冶金中，样品通常可以承受高真空，但仍然必须制备成薄箔片，或者蚀刻成样品的某个部分足够薄，以使电子束能够穿透。对材料厚度的约束可能受到构成材料的原子散射截面的限制。
生物组织通常被包埋在树脂块中，然后在超微切片上变薄至小于100纳米。树脂块经过玻璃或金刚石刀刃时会断裂。[43]这种方法用于获得薄的、变形最小的样品，以便观察组织的超微结构。无机样品，如铝，也可以嵌入树脂中，使用镀膜玻璃、蓝宝石或大角度金刚石刀具可以得到超薄切片。[44]为了防止在透射电镜下观察时在样品表面积累电荷，组织样品需要涂上一薄层导电材料，如碳。
生物组织的透射电镜样品需要高原子序数的染色剂来增强对比度。染色剂吸收电子束或部分散射电子束，否则电子束会投射到成像系统上。重金属化合物如锇、铅、铀或金（免疫金标记）可以在透射电镜观察之前使用，以选择性地将重金属原子沉积在样品中或样品上所需的细胞或蛋白质区域。这个过程需要了解重金属是如何与特定的生物组织和细胞结构结合的。[45]
机械抛光也用于制备在透射电镜上成像的样品。抛光需要达到高质量，以确保感兴趣区域的样品厚度恒定。金刚石或立方氮化硼抛光化合物可用于抛光的最后阶段，以去除任何可能引起对比度波动的划痕，这是因为样品厚度发生了变化。即使经过仔细的机械研磨，也可能需要额外的精细方法，如离子蚀刻，来进行最后阶段的减薄。
某些样品可以通过化学蚀刻制备，特别是金属样品。使用化学蚀刻剂（如酸）减薄这些样品以制备用于透射电镜观察的样品。控制减薄过程的装置可以允许操作者控制通过样品的电压或电流，并且可以包括一个系统，它用来检测样品何时减薄到电子束透明度的所需要求。
离子蚀刻是一种溅射工艺，可以去除非常少量的材料。这用于对通过其他方式抛光的样品进行精抛光。离子蚀刻使用穿过电场的惰性气体来产生被导向样品表面的等离子体流。氩气等气体的加速能量通常为几千伏。样品可以旋转以促进样品表面的均匀抛光。这种方法的溅射速率约为每小时几十微米，因此该方法只能用在非常精细的抛光上。
氩气离子蚀刻最近被证明能够将磁隧道结叠层结构锉平到特定的层，然后该层被原子分解。在平面图而不是截面图中拍摄的透射电镜图像显示，磁隧道结中的氧化镁层含有大量的晶界，这可能会降低器件的性能。[46]
最近聚焦离子束方法已被用于制备样品。聚焦离子束方法是一种相对较新的技术，用于从较大的样本制备用于透射电镜检查的薄样品。因为聚焦离子束可以非常精确地用于微加工样品，所以可以从样品中感兴趣的特定区域（例如半导体或金属）研磨非常薄的膜。与惰性气体离子溅射不同，聚焦离子束方法利用能量明显更高的镓离子，并可通过镓注入改变材料的组成或结构。[47]
样品也可以用醋酸纤维素薄膜复制，薄膜随后涂有重金属如铂，再把原始薄膜溶解掉，用复制品在透射电镜上成像。复制技术的变化用于材料和生物样品。在材料科学中，常见的用途是检查金属合金的新断裂表面。
透射电镜的能力可以通过额外的载物台和检测器进一步扩展，有时可以整合在同一台显微镜上。
透射电子显微镜可以通过增加一个系统来改造成扫描透射电子显微镜，该系统将电子束穿过样品形成图像，并结合合适的检测器。扫描线圈用于偏转电子束，例如通过电子束的静电位移，然后使用电流检测器（例如法拉第杯）收集电子束，法拉第杯用作直接电子计数器。通过将电子计数与扫描电子束（称为“探针”）的位置相关联，可以测量电子束的透射分量。非透射分量可以通过电子束倾斜或使用环形暗场探测器获得。
低压电子显微镜在相对低的5-25千伏的电子加速电压下工作。其中一些可以是扫描电镜、透射电镜和扫描透射电镜紧密结合在一台仪器上。低电压增加了图像对比度，这对生物样本尤其重要。这种对比度的提高显著减少甚至消除了染色的需要。在透射电镜、扫描电镜和透射电镜模式下，几纳米的分辨率是可能的。电子束的低能量意味着永磁体可以用作透镜，因此可以使用不需要冷却的微型柱。[48][49]
低温透射电子显微镜（Cryo-TEM）使用带有样品架的透射电子显微镜，该样品架能够将样品保持在液氮或液氦温度。这允许在玻璃冰中制备成像样品，这是用于对单个分子或大分子组件成像，[50]玻璃化固体-电解质界面的成像，[51]以及在室温下在高真空中挥发性的材料（例如硫）的成像的首选制备技术。[52]
使用差动泵送样品室或专用支架，也可以在透射电镜中进行原位实验。[53]原位实验的类型包括使用液相电子显微镜[54][55]研究纳米材料、[56]生物样品和化学反应，以及材料变形测试。[57]
现代研究TEMs可能包括像差校正器，[21]以减少图像的失真量。也可以使用入射束单色仪，其将入射电子束的能量扩散减小到0.15 eV以下。[21]主要像差校正透射电子显微镜制造商包括日本电子、日立高科技公司、FEI公司和NION。
透射电镜技术有许多缺点。许多材料需要大量的样品制备以产生足够薄的对于电子透明的样品，这使得透射电镜分析相对耗时，样品产量低。样品的结构也可以在制备过程中改变。而且视野也相对较小，这让被分析区域不能体现整个样本的特性的可能性增加。此外，样品有可能被电子束损坏，特别是在生物材料的情况下。
透射电镜中可获得的分辨率极限可以用几种方式描述，通常称为显微镜的信息极限。一个常用的值是对比度传递函数的截断值，该函数通常在频域中引用，用于通过显微镜光学系统来定义物平面中物体的空间频率的再现。传递函数的截止频率qmax可以用以下等式近似，其中Cs是球面像差系数，λ是电子波长：[30]
对于200千伏显微镜，进行部分球面像差校正（“到三阶”）后Cs值为1微米，[59]理论截止值可以是1/qmax = 42皮米。[30]同样的显微镜，如果没有校正器，其Cs= 0.5毫米，因此截止频率为200皮米。[59]在“像差校正”显微镜中，球面像差被抑制到三阶或五阶。然而，它们的分辨率受到物镜系统中电子源几何形状、亮度和色差的限制。[21][60]
对比度传递函数的频域表示通常可能具有振荡性质，[61]这可以通过调节物镜的焦点值来调节。这种振荡性质意味着一些空间频率被显微镜如实地成像，而另一些被抑制。通过组合具有不同空间频率的图像，可以使用诸如聚焦系列重建的技术来以有限的方式提高透射电镜的分辨率。[30]利用类似于非晶材料（比如非晶碳）的傅里叶变换图像的技术，对比度传递函数可以在一定程度上被实验近似。
最近，像差校正器设计的进步已经能够降低球面像差，[62]并且在5000万倍以上的放大倍数[63]下实现低于0.5埃 （50皮米） 的分辨率。[60]分辨率的提高允许对散射电子效率较低的较轻原子成像，例如锂电池材料中的锂原子。[64]确定原子在材料中位置的能力使HRTEM成为许多领域纳米技术研究和开发不可或缺的工具，包括多相催化以及电子半导体器件和光子学半导体器件的开发。[65]
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