Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine bildgebende Technologie, bei der Elektronenstrahlen durch sehr dünn geschnittene Proben hindurchtreten. Wenn die Elektronen durch die Probe übertragen werden und mit ihrer Struktur interagieren, wird ein Bild aufgelöst, das vergrößert und auf ein bildgebendes Medium fokussiert wird, beispielsweise einen fotografischen Film oder einen Leuchtschirm, oder von einer speziellen CCD-Kamera erfasst wird. Da die in der Transmissionselektronenmikroskopie verwendeten Elektronen eine sehr kleine Wellenlänge haben, können TEMs mit viel höheren Auflösungen abbilden als herkömmliche optische Mikroskope, die auf Lichtstrahlen angewiesen sind. Aufgrund ihres höheren Auflösungsvermögens spielen TEMs eine wichtige Rolle in den Bereichen Virologie, Krebsforschung, Materialforschung sowie in der Mikroelektronikforschung und -entwicklung.
Der erste TEM-Prototyp wurde 1931 gebaut, und 1933 wurde ein Gerät mit einem Auflösungsvermögen größer als das Licht anhand der Bilder von Baumwollfasern als Testmuster demonstriert. In den nächsten Jahrzehnten wurden die bildgebenden Fähigkeiten der Transmissionselektronenmikroskopie verfeinert, was die Technologie für die Untersuchung biologischer Proben nützlich machte. Nach der Einführung des ersten Elektronenmikroskops in Deutschland im Jahr 1939 verzögerte sich die Weiterentwicklung durch den Zweiten Weltkrieg, in dem ein Schlüssellabor bombardiert wurde und zwei Forscher starben. Nach dem Krieg wurde das erste Elektronenmikroskop mit 100k Vergrößerung eingeführt. Sein grundlegendes mehrstufiges Design findet sich noch heute in der modernen Transmissionselektronenmikroskopie.
Als die TEM-Technologie ausgereift war, wurde in den 1970er Jahren eine verwandte Technologie, die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), verfeinert. Die Entwicklung der Feldemissionskanone und einer verbesserten Objektivlinse ermöglichte die Abbildung von Atomen mit STEMs. Ein Großteil der Entwicklung der STEM-Technologie resultierte aus Fortschritten in der Transmissionselektronenmikroskopie.
TEMs enthalten normalerweise drei Linsenstufen: die Kondensorlinse, die Objektivlinse und die Projektorlinse. Der Primärelektronenstrahl wird von der Kondensorlinse gebildet, während die Objektivlinse den durch die Probe tretenden Strahl fokussiert. Die Projektionslinse dehnt den Strahl aus und projiziert ihn auf das Abbildungsgerät, beispielsweise einen elektronischen Bildschirm oder ein Filmblatt. Andere Speziallinsen werden verwendet, um Strahlverzerrungen zu korrigieren. Energiefilterung wird auch verwendet, um chromatische Aberration zu korrigieren, eine Form von Verzerrung, die durch die Unfähigkeit eines Objektivs verursacht wird, alle Farben des Spektrums auf denselben Konvergenzpunkt zu fokussieren.
Während sich verschiedene Transmissionselektronenmikroskopiesysteme in ihrem spezifischen Design unterscheiden, haben sie mehrere Komponenten und Stufen gemeinsam. Das erste davon ist ein Vakuumsystem, das den Elektronenstrom erzeugt und elektrostatische Platten und Linsen enthält, mit denen der Bediener den Strahl lenken kann. Der Probentisch enthält Luftschleusen, die das Einführen des zu untersuchenden Objekts in den Strom ermöglichen. Mechanismen in diesem Tisch ermöglichen die Positionierung der Probe für eine optimale Sicht. Eine Elektronenkanone wird verwendet, um den Elektronenstrom durch das TEM zu „pumpen“. Schließlich bildet eine Elektronenlinse, ähnlich einer optischen Linse, die Objektebene ab.