人类依靠感官来认识世界，而这些显微分析仪器是人类感官的延伸。大家都很熟悉光学显微镜，但这类以透镜成像方式工作的显微镜都受到阿贝极限的限制，其分辨力的极限为所采用光波波长的1/2。因此光学显微镜受光波波长的限制，其分辨率仅能达到微米级水平。而快速运动的电子具有波粒二向性，电子作为波的性质，其重要特征是电子的波长:
由上式可得，随着加速电压的增大，电子的波长降低，如果使用较高的加速电压比如30 kV，就可以获得波长为大约7 pm的电子。以电子为光，以磁透镜代替常见的光学透镜，就获得了电子显微镜。而电子東与固体样品作用时，会产生一系列与样品相关的信息，包括感应电动势、阴极荧光、特征X射线、背散射电子、俄歇电子、二次电子、吸收电子、透射电子等。利用这些信息，就可以获得材料微观尺度上的结构信息。
SEM和TEM的区别见下图
SEM和TEM是两种最常见的电子显微镜形式。虽然这两种技术具有相同的基本原理，但它们的仪器和分析的信号存在一些明显的差异。在 SEM 中，二次电子(SE)和背散射电子(BSE) 用于获取样品表面的图像，而在 TEM 中，透射电子被检测以产生穿过样品内部的投影图像。SEM 使用聚焦电子束扫描样品表面，并在每个点收集产生的信号，以逐像素的方式构建放大图像。位于聚光镜下方的扫描线圌用于精确引导光東在 X-Y平面上穿过样品表面。根据放大倍数(最高可达 200 万倍)，光束将扫描从几微米到几毫米的视野，SEM 的典型加速电压范围为1kV 至 30 kV，较低的加速电压可提供更柔和的光束，这在对光束敏感和绝缘样品进行成像时非常有用。二次电子对原子序数不敏感而对样品表面高度起伏敏感，更适合于观察样品高度起伏;而样品原子序数越大，背散射电子产额越大，因此背散射电子可以观察成分像。
TEM 中的加速电压通常在 30 kV 到 300 kV 之间，这比 SEM 仪器中使用的电压高得多，因此它允许生成更高分辨率的图像。像差校正的 TEM 通常可以实现小于<1Å的空间分辨率，这使其能够观察到样品中非常精细的图像，例如纳米颗粒内的单个原子排列。TEM 通过用宽电子束照射样品并在单帧中检测透射电子来产生样品的放大图像。与 SEM 不同，TEM 不需要扫描线圈来将电子束扫描到样品上。相反，照明系统会形成宽光束。TEM 图像的放大倍数可以达到 5000 万倍以上，可以直接看到晶体原子结构。但样品需要非常薄才能进行 TEM 测试，通常小于 100 纳米，这样电子束才能穿过样品，TEM 中分析的透射电子可以分为不同的类别，包括直接光束和衍射光束，因此有成像模式和衍射模式。衍射模式中位于样品下方的中间透镜和光圈可以调整以形成特定衍射光束的图像，这有助于了解样品的晶体结构及其缺陷。STEM像是一个倒装的TEM，是在透射电子显微镜的基础上配备了额外的扫描线圈、探测器和必要的电路。与TEM 不同的是，在 STEM 中，电子束聚焦到一个细小的点(典型点大小为 0.05-0.2nm)，然后在光栅照明系统中扫描样品，该光栅照明系统构造成样品的每个点都被照亮，光束与光轴平行。
TEM图像模式、TEM行射模式和STEM三者的工作原理见下图:
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