Với kính hiển vi quang học thông thường chỉ thấy được những chi tiết lớn hơn 0,2 µm vì khi dùng các thấu kính để phóng đại do hiện tượng nhiễu xạ nên năng suất phân giải tốt nhất theo lý thuyết chỉ bằng cỡ một nửa bước sóng sử
dụng. Từ khi biết được điện tử có tính chất sóng và bước sóng của tia điện tử
rất nhỏ so với bước sóng của ánh sáng người ta đã bắt chước cấu tạo của kính hiển vi quang học để làm kính hiển vi điện tử: Thay nguồn quang học bằng nguồn điện tử, thay thấu kính thuỷ tinh bằng thấu kính điện từ.
Kính hiển vi điện tử truyền qua được phát triển từ năm 1930 là công cụ kỹ
thuật không thể thiếu cho nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi điện tử quang học, kính hiển vi điện tử
truyền qua có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng nhìn thấy nên có thể quan sát tới kích thước cỡ
0,2 nm. Khi chùm điện tử chiếu tới mẫu với tốc độ rất cao và trong phạm vi rất hẹp, các điện tử bị tán xạ bởi thế tĩnh điện giữa hạt nhân nguyên tử và đám mây điện tử của vật liệu gây nhiễu xạ điện tử. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật Bragg như đối với nhiễu xạ tia X: nλ = 2dsinθ. Khác với nhiễu xạ tia X, do bước sóng của chùm tia điện tử thường rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách mặt mạng trong tinh thể thì góc nhiễu xạ
phải rất bé, cỡ dưới 0,01o.
Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu, ảnh nhiễu xạ điện tử thường là một loạt những vòng sáng đối với mẫu có nhiều vi tinh thể định hướng ngẫu nhiên hoặc là mạng lưới riêng biệt, những điểm sáng sắc nét đối với mẫu đơn tinh thể
hay mẫu có kết cấu.
Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nanô nhiễu xạ kính hiển vi điện tử truyền qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các
Nguồn điện tử Bơm điện tử Mẫu Projector Lenses Màn quan sát Các thấu kính hội tụ Vật kính Objective Aperture
nguyên tử trong mẫu, theo dõi được cách sắp xếp đó trong chi tiết từng hạt, từng diện cỡ micromet vuông và nhỏ hơn. Các loại kính hiển vi điện tử hiện
đại còn trang bị thêm các phương tiện để phân tích thành phần hoá học của mẫu ở trong diện tích nhỏ hơn micromet vuông, ở những lớp chỉ vài ba nguyên tử bề mặt.
Các ảnh TEM của vật liệu được chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua có thế từ 40 đến 100 kV, độ phân giải đối với điểm ảnh là 0,2 nm và đối với
ảnh mạng tinh thể là 0,15 nm, độ phóng đại từ 20 đến 500000 lần.