Le type de microscope habituel que vous pourriez trouver dans une salle de classe ou un laboratoire scientifique est un microscope optique. Un microscope optique utilise la lumière pour agrandir une image jusqu'à 2000x (généralement beaucoup moins) et a une résolution d'environ 200 nanomètres. Un microscope électronique, d'autre part, utilise un faisceau d'électrons plutôt que de lumière pour former l'image. Le grossissement d'un microscope électronique peut atteindre 10 000 000 x, avec une résolution de 50 picomètres (0,05 nanomètre).
Les avantages de l'utilisation d'un microscope électronique par rapport à un microscope optique sont un grossissement et un pouvoir de résolution beaucoup plus élevés. Les inconvénients comprennent le coût et la taille de l'équipement, la nécessité d'une formation spéciale pour préparer les échantillons pour la microscopie et pour utiliser le microscope, et la nécessité de visualiser les échantillons dans le vide (bien que certains échantillons hydratés puissent être utilisés).
Le moyen le plus simple de comprendre le fonctionnement d'un microscope électronique est de le comparer à un microscope optique ordinaire. Dans un microscope optique, vous regardez à travers un oculaire et une lentille pour voir une image agrandie d'un spécimen. La configuration du microscope optique se compose d'un échantillon, de lentilles, d'une source de lumière et d'une image que vous pouvez voir.
Dans un microscope électronique, un faisceau d'électrons remplace le faisceau de lumière. Le spécimen doit être spécialement préparé pour que les électrons puissent interagir avec lui. L'air à l'intérieur de la chambre à échantillon est pompé pour former un vide car les électrons ne voyagent pas loin dans un gaz. Au lieu de lentilles, des bobines électromagnétiques focalisent le faisceau d'électrons. Les électro-aimants courbent le faisceau d'électrons de la même manière que les lentilles courbent la lumière. L'image est produite par électrons, il est donc visualisé soit en prenant une photographie (une micrographie électronique), soit en observant l'échantillon à travers un moniteur.
Il existe trois principaux types de microscopie électronique, qui diffèrent selon la façon dont l'image est formée, la façon dont l'échantillon est préparé et la résolution de l'image. Il s'agit de la microscopie électronique à transmission (MET), de la microscopie électronique à balayage (SEM) et de la microscopie à effet tunnel (STM).
Les premiers microscopes électroniques à inventer ont été les microscopes électroniques à transmission. En TEM, un faisceau d'électrons haute tension est partiellement transmis à travers un spécimen très mince pour former une image sur une plaque photographique, un capteur ou un écran fluorescent. L'image qui est formée est en deux dimensions et en noir et blanc, un peu comme un radiographie. L'avantage de la technique est qu'elle est capable d'un grossissement et d'une résolution très élevés (environ un ordre de grandeur mieux que SEM). Le principal inconvénient est qu'il fonctionne mieux avec des échantillons très minces.
En microscopie électronique à balayage, le faisceau d'électrons est balayé à travers la surface d'un échantillon selon un modèle de trame. L'image est formée par des électrons secondaires émis par la surface lorsqu'ils sont excités par le faisceau d'électrons. Le détecteur cartographie les signaux électroniques, formant une image qui montre la profondeur de champ en plus de la structure de surface. Bien que la résolution soit inférieure à celle du TEM, le SEM offre deux grands avantages. Tout d'abord, il forme une image en trois dimensions d'un spécimen. Deuxièmement, il peut être utilisé sur des échantillons plus épais, car seule la surface est numérisée.
Dans TEM et SEM, il est important de réaliser que l'image n'est pas nécessairement une représentation précise de l'échantillon. Le spécimen peut subir des changements en raison de sa préparation pour la microscope, de l'exposition au vide ou de l'exposition au faisceau d'électrons.
Un microscope à effet tunnel (STM) scanne les surfaces au niveau atomique. C'est le seul type de microscopie électronique capable d'imager des individus des atomes. Sa résolution est d'environ 0,1 nanomètre, avec une profondeur d'environ 0,01 nanomètre. Le STM peut être utilisé non seulement dans le vide, mais aussi dans l'air, l'eau et d'autres gaz et liquides. Il peut être utilisé sur une large plage de températures, allant du zéro absolu à plus de 1000 degrés C.
La STM est basée sur la tunnelisation quantique. Une pointe conductrice électrique est amenée près de la surface de l'échantillon. Lorsqu'une différence de tension est appliquée, les électrons peuvent creuser un tunnel entre la pointe et l'échantillon. La variation du courant de la pointe est mesurée lors de son balayage à travers l'échantillon pour former une image. Contrairement à d'autres types de microscopie électronique, l'instrument est abordable et facile à fabriquer. Cependant, STM nécessite des échantillons extrêmement propres et il peut être difficile de le faire fonctionner.