穿透式電子顯微鏡（transmission electron microscope）
光學顯微鏡讓光穿過薄玻片，用玻璃透鏡放大從另一側射出的光。穿透式電子顯微鏡（TEM）做的是同一件事，只是用電子束取代光、用磁透鏡取代玻璃。電子經 10 到 30 萬伏特加速，射入一根抽成真空的高柱，穿過材料的超薄切片，再由磁線圈放大到螢幕或相機上。要費這麼大工夫，原因在於解析度：電子的波長比可見光短上數千倍，所以 TEM 能解析出任何光學顯微鏡都太細而看不到的細節——最好的儀器甚至能到一根根的原子柱。
最重要的單一條件是試片必須薄到電子能穿過——通常小於約一百奈米，常在五十以下。製作這樣的切片本身就是一門手藝：研磨、離子束銑削，或用聚焦離子束（FIB）切割。TEM 的一大強項是，只要改變透鏡對焦在哪個平面，它就能從同一塊區域給你兩件互補的東西。對焦在影像面，你得到結構的放大影像；對焦在後焦面，你得到繞射圖樣（如選區繞射）。成像本身又有兩種：繞射對比成像，讓差排之類的缺陷現形；以及相位對比的高解析成像，顯示晶格條紋與原子柱。
現代的像差校正儀器可達到 0.1 奈米以下的解析度，配上外掛的光譜儀，還能一根原子柱一根原子柱地同時繪製結構與化學組成。但誠實很重要。TEM 顯示的是穿過整個薄膜厚度的二維投影，所以重疊的特徵可能被誤讀。你所檢視的薄膜未必表現得像塊材——減薄會鬆弛應力、重排缺陷——而強烈的電子束會加熱、充電或損傷脆弱樣品。TEM 影像是有力的證據，但它是投影下看到的一片切片，不是原封不動的塊材。
為了鑑定合金中一顆神祕的析出物，操作者先拍一張明場影像（顆粒呈深色而突出），接著不移動樣品，切換到後焦面，對同一顆顆粒記錄一張選區繞射圖樣。影像顯示它的形狀與大小；繞射圖樣鑑定它的晶體結構——同一個位置給出兩個答案。
在影像面與後焦面之間切換，讓 TEM 的同一區域同時產出影像與繞射圖樣。
TEM 影像是穿過整個薄膜厚度的投影，不是表面影像也不是真正的三維圖——重疊的特徵會疊加在一起。而且薄到電子能穿過的薄膜未必能代表塊材，因為減薄會鬆弛應力、移動缺陷。