透射电子显微镜(TEM)有两个主要用途:用于形貌观察—一电子成像;用于测定结构——电子衍射。电子衍射的几何学与Ⅹ射线衍射完全一样。都遵守劳厄方程或布拉格方程所规定的衍射条件和几何关係。由于加速电压100kV以上的电子的波长比Ⅹ射线短得多,根据布拉格方程2dsinθ=nλ的电子衍射角2θ也小得多;物质对电子的散射比对X射线散射几乎强1万倍,所以电子衍射强度高得多,摄谱时间比Ⅹ射线短得多。

电子衍射的本质是波长短、散射强。电子衍射的许多特徵都与此有关。波长短决定电子衍射的几何特点,它使单晶的电子衍射谱变得和晶体倒易点阵的一截面完全相似。散射强度决定电子衍射的光学特点,有时衍射束的强度几乎与透射束的强度相当,因此必须考虑它们之间的互动作用,即多次衍射和动力衍射效应。另外,电子在物质中的穿透深度有限,比较适合用来研究微晶、表面和薄膜的晶体结构。电子衍射的早期套用也就是研究物质的表面结构。

自20世纪50年代以来,电子衍射得到长足的发展和越来越广泛的套用。显然,与电子衍射和透射电镜的密切结合有关,二者各有所长,相互补充,使衍射和成像有机地联繫在一起。许多合金相只有几十微米大小,有时甚至小到几千埃,不能用X射线进行单晶衍射试验。但却能用电子显微镜在放大几万倍的情况下把这些晶体挑选出来,用微区电子衍射(选区电子衍射)研究这些微晶的结构。另一方面,薄膜器件和薄晶透射电子显微术的发展,显着地扩大了电子衍射的套用範围,也促进了动力学衍射的进一步发展。

TEM是德国科学家Ruskahe和Knoll在前人Garbor和Busch的基础上于1932年发明的。

透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：

吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。

衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。

TEM透射电镜

电子枪：发射电子，由阴极、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速、加压的作用。 聚光镜：将电子束聚集，可用于控制照明强度和孔径角。 样品室：放置待观察的样品，并装有倾转台，用以改变试样的角度，还有装配加热、冷却等设备。 物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分辨能力和成像质量的关键。 中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。 透射镜：为高倍的强透镜，用来放大中间像后在萤光屏上成像。 此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。

透射电子显微镜在材料科学、生物学上套用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须製备更薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。

以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束波长与加速电压(通常50~120KV)成反比。

由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。

分辨力0.2nm，放大倍数可达百万倍。

TEM分析技术是以波长极短的电子束作照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高解析度（1nm）、高放大倍数的电子光学分析技术；

用电镜（包括TEM）进行样品分析时，通常有两个目的：一个是获得高倍放大倍数的电子图像，另一个是得到电子衍射花样；

TEM常用于研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况及测量和评估纳米粒子的粒径。是常用的纳米複合材料微观结构的表征技术之一。