Электронный пучок можно использовать для получения информации о поверхности нанообразца и создания изображения поверхности. Электроны гораздо сильнее взаимодействуют с веществом, чем рентгеновские лучи или нейтроны со сравнимой энергией или длиной волны. Для обычного упругого рассеяния электронов с энергией ~ 100 кэВ среднее расстояние, проходимое электроном между двумя актами рассеяния в веществе, называющееся длиной свободного пробега, составляет от нескольких десятков нанометров для легких атомов до десятков, или, возможно, сотен нанометров для тяжелых атомов.

Наилучшие результаты электронная микроскопия дает для пленок с толщиной, сравнимой с длиной свободного пробега. Существенно более тонкие пленки рассеивают слишком мало для получения полезных изображений, в то время как в более толстых пленках преобладает многократное рассеяние, размывающее изображение и делающее его трудно интерпретируемым. Существует несколько способов использования электронных пучков для получения изображений с использованием разного типа электронных микроскопов.

В просвечивающем электронном микроскопе электроны из некоторого источника, например, электронной пушки, попадают на образец, рассеиваются при прохождении сквозь него, фокусируются объективной электронной линзой, проходят через увеличительную (проекторную) линзу и, наконец, создают искомое изображение. На просвечивающем электронном микроскопе можно получать изображения и с помощью электронной дифракции от ограниченной области. Основная часть электронного пучка, прошедшего через образец, состоит из электронов, вообще не претерпевших рассеяния, и электронов, потерявших часть энергии из-за неупругого рассеяния без изменения направления полета, и электронов, отраженных от различных кристаллографических плоскостей. Кроме прошедших насквозь и продифрагировавших электронов в пучке присутствуют и электроны, испытавшие в образце неупругие соударения и потерявшие энергию, потраченную на создание возбуждений в образце. Характеристики этого вторичного излучения часто могут дать дополнительную полезную кристаллографическую информацию об образце.

Для получения того, что называется изображением на светлом поле, апертура вводится так, чтобы проходил только основной неотклоненный пучок. Изображение на светлом поле наблюдается на детекторе или экране. Детали изображения в темном поле зависят от конкретного луча (конкретной плоскости), выбранного для получения изображения.

Эффективным способом получения изображения поверхности образца является сканирование поверхности электронным пучком с образованием растра как в телевизоре. Электронная оптика сканирующего электронного микроскопа аналогична для обычного просвечивающего электронного микроскопа. Отклонение электронного пучка в этом случае осуществляется магнитным полем, создаваемым электрическим током в катушках, по тому же принципу, что и в большинстве обычных телевизионных приемников. Магнитное поле, создаваемое 4 катушками, пропорционально приложенному к ним пилообразному напряжению, что позволяет электронному пучку все время перемещаться по образцу, слева направо и обратно, постепенно смещаясь вниз и образуя растр, со временем покрывающий всю площадь кадра.

По материалам книги Ч.Пул, Ф. Оуэнс «Нанотехнологии»