Nozari, kurā izmanto šādus instrumentus, dēvē par elektronu mikroskopiju. Elektronu mikroskopu darbībai svarīgas ir kvantu fizikas atziņas, kas apraksta elektrona daļiņas-viļņa divējādo dabu, mijiedarbības ar paraugu veidojošiem atomiem un to detektēšanas iespējas. Detalizētu izklāstu par elektrona kūļa ierosinātiem procesiem vielā sniedz cietvielu fizika. Elektronu staru optikas sistēmu darbības principi balstīti elektromagnētisma teorijās. Elektronu mikroskopu sastāvā ir arī cietvielu elektronikas ierīces, kuru funkcionalitātes pamatā ir pusvadītāju fizika.

Divi galvenie elektronu mikroskopu veidi ir caurejošā starojuma elektronu mikroskopi (transmission electron microscope, TEM) un skenējošie elektronu mikroskopi (scanning electron microscope, SEM). Galvenā atšķirība ir elektronu detektēšanas principā – TEM attēlu veido paraugam cauri izgājušie elektroni, kamēr SEM tiek reģistrēti atpakaļ izkliedētie vai sekundārie elektroni, pakāpeniski skenējot parauga virsmu.

Viens no vēsturiskajiem aspektiem, kas sekmēja elektronu mikroskopu izveidi, bija optisko mikroskopu ierobežotā izšķirtspēja gaismas difrakcijas parādības dēļ. Franču fiziķis Luijs de Brojī (Louis de Broglie) 1924. gadā izvirzīja hipotēzi, ka daļiņām, tajā skaitā arī elektroniem, piemīt viļņu īpašības, turklāt viļņa garums var būt ievērojami mazāks nekā elektromagnētiskajam starojumam redzamās gaismas diapazonā. Trīs gadus vēlāk elektronu viļņējādo dabu klasiskajos elektronu difrakcijas eksperimentos neatkarīgi pierādīja Džordžs Tomsons (George Paget Thomson) ar kolēģi Aleksandru Rīdu (Alexander Reid) Aberdīnas Universitātē (University of Aberdeen) Lielbritānijā un Klintons Deivisons (Clinton Joseph Davisson) ar Lesteru Džermeru (Lester Halbert Germer) Bella laboratorijā (Bell Labs) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV). Pirmā elektronu mikroskopa izveidē 1932. gadā sadarbojās vācu izgudrotāji Ernsts Ruska (Ernst August Friedrich Ruska) un Makss Knolls (Max Knoll). Par ieguldījumu elektronu mikroskopa izstrādē E. Ruskam 1986. gadā piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Pirmo komerciālo TEM modeli EM1 1936. gadā izstrādāja Lielbritānijā, “Metropolitan-Vickers” kompānijā, tomēr plašāk atzīts tika E. Ruskas un Bodo fon Borīsa (Bodo von Borries) 1938. gadā izveidotais modelis Vācijas uzņēmumā “Siemens”. Plašāku popularitāti elektronu mikroskopi ieguva tikai pēc Otrā pasaules kara beigām. Pirmo komerciālo SEM modeli “Stereoscan” 1965. gadā sāka ražot Kembridžas Zinātnisko instrumentu kompānija (Cambridge Scientific Instrument Company) Lielbritānijā. Kopš tā laika par elektronu mikroskopu attīstības virzītājspēku kalpojis daudzu zinātnisko grupu ieguldījums elektronu staru avotu, elektronu optikas sistēmu un detektoru uzlabošanā, kā arī jaunu metožu un risinājumu ieviešana, nodrošinot arvien plašāku mikroskopu funkcionalitāti.

Gaismai un elektroniem piemīt vairākas līdzības – abus var aprakstīt gan kā daļiņas, gan viļņus – gaismu var raksturot fotonu veidā vai arī kā elektromagnētisku starojumu ar viļņa garumu 400‒700 nm robežās, kamēr elektroni ir elementārdaļiņas ar de Brojī viļņa garumu 0,001‒0,01 nm diapazonā (elektronu mikroskopu paātrinājumos). Līdz ar to shematiski gaismas mikroskopu un elektronu mikroskopu staru optikas sistēma un galvenās komponenetes ir līdzīgas. Pirmā acīmredzamā atšķirība ir viļņa garumā, kas mikroskopēšanai ar elektroniem teorētiski paredz par vairākām kārtām augstāku izšķirtspēju nekā gaismai. Praksē elektronu mikroskopu izšķirtspēju ierobežo elektronu staru optikas sistēmas aberācijas, taču līdz mūsdienām ir izdevies sasniegt atomāru izšķirtspēju. Otrā būtiskā atšķirība no gaismas ir tāda, ka elektroni gāzēs tiek stipri izkliedēti, tādēļ elektronu mikroskopu darbībai jānodrošina vakuums. Pretstatā fotoniem, elektroniem piemīt arī elektriskais lādiņš, kas paver iespējas tos kontrolēt, izmantojot elektriskos un magnētiskos laukus. Šis efekts tiek izmantots elektronu paātrināšanai, trajektorijas kontrolēšanai elektronu staru optikas sistēmā un pakāpeniskai parauga skenēšanai.

Par elektronu avotiem mikroskopos kalpo elektronu lielgabali (electron gun). Visplašāk izplatītie ir termoemisijas (thermionic emission) avoti, kuros sakarsēts materiāls, parasti volframa kvēldiegs vai lantāna heksaborīda (LaB₆) monokristāls, emitē elektronus. Ja nepieciešama lielāka elektronu plūsma ar šaurāku sadalījumu pa enerģijām, izmanto lauka emisijas (field emission) avotus, kuru darbības pamatā ir elektronu tunelēšana no metāla virsmas spēcīga elektriskā lauka iedarbībā. Elektroni tiek paātrināti 1‒300 kV spriegumā un virzīti, izmantojot elektromagnētiskas lēcu sistēmas. Tās veido ap dzelzs serdi satītas spoles, kurās plūstošā strāva ģenerē magnētisko lauku. Lorenca spēka iedarbības rezultātā elektroni iegūst paātrinājumu perpendikulāri to kustības un magnētiskā lauka indukcijas virzienam, kā rezultātā tiek izmainīta to trajektorija. Kūļa koherences kontrolei tiek izmantotas apertūras – gredzenveida metāliskas plāksnes ar atvērumiem, kas regulē elektronu plūsmu.

TEM komponentes tiek izvietotas vertikālā mikroskopa kolonnā, kuras augšdaļā atrodas elektronu avots. Elektrona kūļa formas un izmēra kontroli nodrošina kondensora sistēma, kas sastāv no vairākām elektromagnētiskām lēcām. Zem tās atrodas parauga kamera, kurā tiek nodrošināta precīza pētāmā parauga pozicionēšana mikroskopā, tajā pašā laikā ļaujot to pagriezt dažādos leņķos pret elektronu kūli. Lai signāls izspiestos cauri paraugam, tas jāsagatavo sevišķi plāns. Paraugam cauri izgājušo elektronu plūsma ir atkarīga no mijiedarbībām ar pētāmās vielas atomiem un satur informāciju par parauga biezumu un ķīmisko sastāvu, kas veido iegūtā attēla kontrastu. Palielināts parauga attēls tiek iegūts, izmantojot vairākpakāpju optikas sistēmu, kas ir līdzīga saliktā tipa gaismas mikroskopiem. Objektīva sistēma veido parauga palielinātu starpattēlu, kuru pēc tam papildus izvērš elektromagnētisku projekcijas lēcu sistēma. TEM attēlu var apskatīt uz fluorescenta ekrāna, kurā krītoši elektroni ierosina katodluminiscenci. Digitālai signāla reģistrēšanai var izmantot tiešus un netiešus elektronu detektorus. Netiešajos detektoros krītošie elektroni tiek vispirms pārvēsti fotonos, izmantojot scintilatorus (scintillator), kurus pēc tam uzkrāj un elektriskā signālā pārvērš lādiņa saites matricas (charge coupled device, CCD) vai komplementārie metālu oksīdu pusvadītāju (complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) sensori.

SEM tiek izmantota atšķirīga pieeja, lai pētītu paraugu virsmas īpatnības. Tā kā elektronu kūlim nav jāizspiežas cauri pētāmajam objektam, tas var būt biezāks, kā arī paātrinošais spriegums nav nepieciešams tik liels kā TEM, kas samazina ierīces izmaksas. SEM izšķirtspēja ir zemāka, taču tajā pašā laikā redzes laukā ir aplūkojams lielāks parauga laukums. Attēls tiek iegūts pakāpeniski, katrā punktā mērot kāda fizikāla lieluma vērtību. Elektrona kūļa fokusēšanu atšķirīgos parauga punktos panāk ar īpašām skenēšanas spolēm. Pēc mijiedarbības ar paraugu katrā virsmas punktā tiek radīti sekundārie elektroni, kas tiek detektēti ar scintilatora un fotoelektronu pavairotāja (photomultiplier) sistēmu un veido SEM attēlu. Izmantojot citu detektēšanas sistēmu un ģeometriju, attēlu var iegūt no atpakaļ izkliedētajiem elektroniem, kas sniedz komplementāru informāciju par pētāmo objektu. Lai izvairītos no elektriskā lādiņa uzkrāšanās uz parauga virsmas, strāvu nevadošiem paraugiem ir jāuzputina vadošs pārklājums (parasti zelts). Līdzīgi kā TEM, SEM darbībai jānodrošina augsts vakuums, kā rezultātā daudzu paraugu pētījumi ir problemātiski. Mainīga spiediena skenējošais elektronu mikroskops (environmental scanning electron microscope, ESEM) ir SEM variācija, kurā ar īpaši izveidotu parauga kameru un detektēšanas sistēmu iespējams paraugus pētīt to dabīgā stāvoklī. Skenējošais caurejošā starojuma elektronu mikroskops (scanning transmission electron microscope, STEM) ir kombinēts TEM un SEM variants, kurā attēlu iegūst parauga pakāpeniskas skenēšanas rezultātā no cauri izgājušajiem elektroniem.

Mūsdienu elektronu mikroskopi tiek aprīkoti ar tehnisko nodrošinājumu elektronu difrakcijas un spektroskopijas eksperimentu veikšanai, kas sniedz informāciju par pētāmā parauga kristālisko struktūru un ķīmisko elementu sadalījumu nanomērogā. Cietvielu atomārās struktūras krītošajiem elektronu viļņiem kalpo kā difrakcijas režģi un novirza tos raksturīgos leņķos, kas katram savienojumam rada unikālas difrakcijas ainas. Difrakcijas metodes galvenokārt izmanto materiālu un cietvielu fizikā kristālisko struktūru identifikācijai, monokristālu orientācijas vai polikristālisku paraugu tekstūras noteikšanai un defektu pētījumos – TEM populāra ir izvēlētā apgabala elektronu difrakcijas (selected area electron diffraction, SAED) metode. SEM difrakcijas ainas var iegūt no atpakaļ izkliedētajiem elektroniem (electron backscatter diffraction, EBSD). Elektronu kūlis paraugā var ierosināt arī rentgenstarojumu. Rentgenstaru fluorescences spektrs satur maksimumus pie enerģijām, kas raksturīgas materiāla sastāvā esošajiem ķīmiskajiem elementiem. Elektronu mikroskopos izplatīta ir enerģijas dispersīvā rentgenstaru spektroskopija (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX), ar kuru iespējama ķīmiskā sastāva sadalījuma kvalitatīva un kvantitatīva analīze paraugā. Modernos elektronu mikroskopos ķīmiskā sastāva analīzei izmanto arī elektronu enerģijas zudumu spektroskopiju (electron energy loss spectroscopy, EELS), kas ir piemērotāka vieglo elementu noteikšanai.

Materiālu īpašības saistītas ar to struktūru atomārā līmenī, tāpēc elektronu mikroskopi ir neatņemami strukturālās analīzes instrumenti materiālu fizikā, cietvielu fizikā un nanofizikā. Elektronu mikroskopi plaši tiek pielietoti arī bioloģijas un medicīnas zinātņu pētījumos, sevišķi ar variācijām, kurās iespējami paraugu pētījumi to dabīgajos apstākļos – ESEM un kriogēniem elektronu mikroskopiem (cryogenic electron microscope, cryo-EM).

Elektronu mikroskopi ir svarīgi produkcijas analīzes, kvalitātes kontroles un ražošanas optimizācijas rīki automobiļu, aviācijas, elektronikas un materiālu inženierijas industrijā. Elektronu mikroskopus izmanto arī kriminālistikas analīzē un veselības aprūpē.

Nozīmīgākie elektronu mikroskopu ražotāji ir “Agilent Technologies”, “Carl Zeiss Group”, “FEI Company”, “Hitachi High-Technologies Corporation”, “JEOL Ltd”, “Nikon Corporation”, “Olympus Corporation”, “Seiko Instruments”, TESCAN, “Thermo Fisher Scientific”.

Ar mūsdienu elektronu mikroskopiem ir iespējama atsevišķu atomu un molekulu attēlošana. Lai labāk izprastu dinamiskos procesus un to funkcijas, jaunās paaudzes instrumentiem jāsaglabā atomāra izšķirtspēja īsos laika mērogos ātru norišu vizualizēšanai vairākās dimensijās, paralēli nodrošinot iespējas veikt parauga stimulēšanu vai manipulācijas ar to mikroskopēšanas laikā. Lai novērstu neatgriezenisku bojājumu veidošanos paraugā augstas enerģijas elektronu kūļa iedarbībā, tiek izstrādāti elektronu mikroskopu varianti, kas darbotos pie mazāka paātrinošā sprieguma.

Elektronu mikroskopu trūkumi ir dārgās izmaksas iegādē un uzturēšanā, kā arī sarežģītais ekspluatācijas process. Lai gan tiek izstrādāti lietotājiem arvien pieejamāki elektronu mikroskopu modeļi un vadības programmatūra, to optimālai lietošanai un korektai rezultātu interpretācijai nepieciešama izpratne par mikroskopā notiekošajiem procesiem.