Kính hiển vi điện tử truyền qua là công cụ rất hữu hiệu cho các nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng của chùm tia điện tử ngắn hơn rất nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến nên có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm.
DC L 0 s s0 s (hkl) O 1/DC.cos Hình 3.2. Hình cầu Ewald 1/
Các điện tử từ catôt bằng dây tungsten đốt nóng đi tới anôt và được hội tụ bằng thấu kính từ lên mẫu đặt trong buồng chân không. Tác dụng của tia điện tử tới mẫu có thể tạo ra chùm điện tử thứ cấp, điện tử phản xạ, điện tử Auger, tia X thứ cấp, phát quang catôt và tán xạ không đàn hồi với các đám mây điện tử trong mẫu cùng tán xạ đàn hồi với hạt nhân nguyên tử. Các điện tử truyền qua mẫu được khuếch đại và ghi lại dưới ảnh huỳnh quang hoặc ảnh kĩ thuật số.
Khi chùm điện tử chiếu tới mẫu với tốc độ cao và trong phạm vi rất hẹp, các điện tử bị tán xạ bởi thế tĩnh điện giữa hạt nhân nguyên tử và lớp mây điện tử của vật liệu gây ra nhiễu xạ điện tử. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm vật liệu tới và khoảng cách mặt phẳng mạng trong tinh thể, tuân theo định luật Bragg như đối với nhiễu xạ tia X.
Khác với nhiễu xạ tia X, bước sóng của chùm điện tử thường rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách mặt phẳng mạng trong tinh thể thì góc nhiễu xạ phải rất nhỏ, cỡ dưới 0,010. Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu, ảnh nhiễu xạ của điện tử thường là một loạt những vòng sáng đối với mẫu đa tinh thể hoặc là mạng lưới riêng biệt những điểm sáng sắc nét đối với mẫu đơn tinh thể. Mỗi điểm sáng sắc nét trên ảnh vi điện tử là ảnh của nguồn điện.
Các ảnh TEM của vật liệu được chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL TEM 5410 NV có điện thế từ 40 100 kV, độ phân giải đối với điểm ảnh là 0,2 nm, đối với mạng tinh thể là 0,15 nm, độ phóng đại từ 20 500 000 lần.