المجهر الإلكتروني النافذ

في عام ١٨٧٣، اقترح إرنست آبي أن القدرة على تمييز التفاصيل في جسم ما محدودة تقريبًا بطول موجة الضوء المستخدم في التصوير، أو بضع مئات من النانومترات في مجاهر الضوء المرئي. وقد أدت التطورات في مجاهر الأشعة فوق البنفسجية ، بقيادة كولر وروهر ، إلى زيادة القدرة على التمييز بمقدار الضعف. ^{[ ٣ ]} إلا أن ذلك تطلب استخدام بصريات كوارتز باهظة الثمن، نظرًا لامتصاص الزجاج للأشعة فوق البنفسجية. وكان يُعتقد أن الحصول على صورة بمعلومات دون الميكرومتر غير ممكن بسبب هذا القيد المتعلق بطول الموجة. ^{[ ٤ ]}

في عام 1858، لاحظ بلوكر انحراف أشعة الكاثود ( الإلكترونات ) بفعل المجالات المغناطيسية. ^{[ 5 ]} استغل فرديناند براون هذه الظاهرة عام 1897 لبناء أجهزة قياس بسيطة تعتمد على راسم إشارة أشعة الكاثود (CRO). ^{[ 6 ]} في عام 1891، لاحظ إدوارد ريكه إمكانية تركيز أشعة الكاثود بواسطة المجالات المغناطيسية، مما أتاح تصميم عدسات كهرومغناطيسية بسيطة. في عام 1926، نشر هانز بوش بحثًا يوسع هذه النظرية، وأظهر إمكانية تطبيق معادلة صانع العدسات ، مع افتراضات مناسبة، على الإلكترونات. ^{[ 2 ]}

في عام ١٩٢٨، في جامعة شارلوتنبورغ التقنية ( جامعة برلين التقنية حاليًا )، عيّن أدولف ماتياس، أستاذ تكنولوجيا الجهد العالي والتركيبات الكهربائية، ماكس نول لقيادة فريق من الباحثين لتطوير تصميم راسم الذبذبات الكاثودية (CRO). ضمّ الفريق عددًا من طلاب الدكتوراه، من بينهم إرنست روسكا وبودو فون بوريس . عمل الفريق البحثي على تصميم العدسات وموضع أعمدة راسم الذبذبات الكاثودية، لتحسين المعايير اللازمة لبناء راسمات أفضل، وتصنيع مكونات بصرية إلكترونية لتوليد صور بتكبير منخفض (تقريبًا ١:١). في عام ١٩٣١، نجح الفريق في توليد صور مكبّرة لشبكات موضوعة فوق فتحة المصعد. استخدم الجهاز عدستين مغناطيسيتين لتحقيق تكبيرات أعلى، ما يُعدّ، على الأرجح، أول مجهر إلكتروني . في العام نفسه، حصل راينهولد رودنبرغ ، المدير العلمي لشركة سيمنز ، على براءة اختراع لمجهر إلكتروني بعدسة كهروستاتيكية . ^{[ ٤ ] [ ٧ ]}

في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن الإلكترونات جسيمات مشحونة من المادة؛ ولم يُدرك تمامًا طبيعتها الموجية إلا في أطروحة الدكتوراه للويس دي بروي عام 1924. ^{[ 8 ]} لم يكن فريق بحث نول على علم بهذا المنشور حتى عام 1932، عندما أدركوا أن طول موجة دي بروي للإلكترونات أصغر بكثير من طول موجة الضوء، مما يسمح نظريًا بالتصوير على المستوى الذري. (حتى بالنسبة للإلكترونات ذات الطاقة الحركية التي تبلغ 1 إلكترون فولت فقط، فإن طول الموجة قصير جدًا، يصل إلى 1.18 نانومتر ). في أبريل 1932، اقترح روسكا بناء مجهر إلكتروني جديد للتصوير المباشر للعينات المُدخلة فيه، بدلًا من استخدام شبكات بسيطة أو صور الفتحات. وباستخدام هذا الجهاز، تم تحقيق حيود ناجح وتصوير عادي لصفيحة من الألومنيوم. ومع ذلك، كان التكبير المُمكن تحقيقه أقل من التكبير المُمكن باستخدام المجهر الضوئي. تم تحقيق تكبيرات أعلى من تلك المتاحة باستخدام المجهر الضوئي في سبتمبر 1933، حيث تم الحصول على صور لألياف القطن بسرعة قبل أن تتلف بفعل شعاع الإلكترون. ^{[ 4 ]} 

في هذا الوقت، ازداد الاهتمام بالمجهر الإلكتروني، حيث قامت مجموعات أخرى، مثل مجموعة بول أندرسون وكينيث فيتزسيمونز من جامعة ولاية واشنطن ^{[ 9 ]} ومجموعة ألبرت بريبوس وجيمس هيلير في جامعة تورنتو ، الذين قاموا ببناء أول مجاهر إلكترونية نافذة في أمريكا الشمالية في عامي 1935 و1938 على التوالي، ^{[ 10 ]} بتطوير تصميم المجهر الإلكتروني النافذ باستمرار.

استمر البحث في مجال المجهر الإلكتروني في شركة سيمنز عام 1936، حيث كان الهدف منه تطوير وتحسين خصائص التصوير بالمجهر الإلكتروني النافذ، لا سيما فيما يتعلق بالعينات البيولوجية. في ذلك الوقت، كان يجري تصنيع مجاهر إلكترونية لمجموعات بحثية محددة، مثل جهاز "EM1" المستخدم في المختبر الفيزيائي الوطني البريطاني. ^{[ 11 ]} في عام 1939، تم تركيب أول مجهر إلكتروني تجاري، كما هو موضح في الصورة، في قسم الفيزياء بشركة IG Farben -Werke. وقد أعاق تدمير مختبر جديد تم إنشاؤه في سيمنز جراء غارة جوية ، بالإضافة إلى وفاة اثنين من الباحثين، هاينز مولر وفريدريك كراوس، خلال الحرب العالمية الثانية ، استمرار العمل على المجهر الإلكتروني . ^{[ 12 ]}

بعد الحرب العالمية الثانية، استأنف روسكا عمله في شركة سيمنز، حيث واصل تطوير المجهر الإلكتروني، وأنتج أول مجهر بتكبير 100 ألف مرة. ^{[ 12 ]} ولا يزال التصميم الأساسي لهذا المجهر، المزود ببصريات تحضير شعاع متعددة المراحل، مستخدمًا في المجاهر الحديثة. وشهد مجتمع المجهر الإلكتروني العالمي تقدمًا ملحوظًا، حيث تم تصنيع المجاهر الإلكترونية في مانشستر بالمملكة المتحدة، والولايات المتحدة الأمريكية (RCA)، وألمانيا (سيمنز)، واليابان (JEOL). عُقد أول مؤتمر دولي في مجال المجهر الإلكتروني في دلفت عام 1949، بحضور أكثر من مئة مشارك. ^{[ 11 ]} وشملت المؤتمرات اللاحقة المؤتمر الدولي الأول في باريس عام 1950، ثم في لندن عام 1954.

مع تطور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، أُعيدَ النظر في تقنية المجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) المرتبطة به، وظلت هذه التقنية قيد التطوير حتى سبعينيات القرن العشرين، حين قام ألبرت كرو في جامعة شيكاغو بتطوير مدفع انبعاث المجال ^{[ 13 ]} وأضاف عدسة موضوعية عالية الجودة لإنشاء المجهر الإلكتروني الماسح النافذ الحديث. وباستخدام هذا التصميم، أثبت كرو إمكانية تصوير الذرات باستخدام التصوير الحلقي ذي المجال المظلم . كما طوّر كرو وزملاؤه في جامعة شيكاغو مصدر انبعاث الإلكترونات ذي المجال البارد ، وبنوا مجهرًا إلكترونيًا ماسحًا نافذًا قادرًا على تصوير الذرات الثقيلة المفردة على ركائز كربونية رقيقة. ^{[ 14 ]}

نظرياً، فإن أقصى دقة، d ، التي يمكن الحصول عليها باستخدام المجهر الضوئي محدودة بطول موجة الفوتونات ( λ ) والفتحة العددية NA للنظام. ^{[ 15 ]}

${\displaystyle d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}}$

حيث n هو معامل انكسار الوسط الذي تعمل فيه العدسة، و α هي أقصى زاوية نصفية لمخروط الضوء الذي يمكن أن يدخل العدسة (انظر الفتحة العددية ). ^{[ 16 ]} وضع علماء أوائل القرن العشرين نظرياتٍ حول طرق التغلب على قيود الطول الموجي الكبير نسبيًا للضوء المرئي (أطوال موجية تتراوح بين 400 و700 نانومتر ) باستخدام الإلكترونات. ومثل جميع المواد، تمتلك الإلكترونات خصائص موجية وجسيمية ( موجة مادية )، وتعني خصائصها الموجية أنه يمكن تركيز حزمة من الإلكترونات وحيودها تمامًا كما يحدث مع الضوء. يرتبط الطول الموجي للإلكترونات بطاقتها الحركية عبر معادلة دي برولي، التي تنص على أن الطول الموجي يتناسب عكسيًا مع الزخم. مع الأخذ في الاعتبار التأثيرات النسبية (كما هو الحال في المجهر الإلكتروني النافذ، حيث تمثل سرعة الإلكترون جزءًا كبيرًا من سرعة الضوء، c ^{[ 17 ]} )، فإن الطول الموجي هو 

${\displaystyle \lambda _{e}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}}$

حيث h هو ثابت بلانك ، و m ₀ هي كتلة السكون للإلكترون و E هي الطاقة الحركية للإلكترون المتسارع.

_{يتكون المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ،} من الأعلى إلى الأسفل، من مصدر انبعاث أو مهبط، قد يكون خيطًا من التنجستن ، أو بلورة أحادية من سداسي بوريد اللانثانوم ( LaB6 ) ، أو مدفع انبعاث حقلي . ^{[ 18 ]} يُوصل المدفع بمصدر جهد عالٍ (عادةً ما بين 100 و300 كيلو فولت) ويُصدر الإلكترونات إما عن طريق الانبعاث الحراري أو الانبعاث الحقلي في الفراغ. في حالة المصدر الحراري، يُركّب مصدر الإلكترونات في أسطوانة وينيلت لتوفير تركيز أولي للإلكترونات المنبعثة في حزمة، مع تثبيت التيار باستخدام دائرة تغذية راجعة سلبية. أما مصدر الانبعاث الحقلي، فيستخدم أقطابًا كهربائية ساكنة تُسمى المستخلص، والمثبط، وعدسة المدفع، مع جهود مختلفة على كل منها، للتحكم في شكل المجال الكهربائي وشدته بالقرب من الطرف الحاد. يُطلق على مجموعة المهبط وعناصر العدسة الكهروستاتيكية هذه مجتمعةً اسم " مدفع الإلكترونات ". بعد خروج الشعاع من المدفع، يتم تسريعه عادةً حتى يصل إلى جهده النهائي، ثم يدخل الجزء التالي من المجهر: نظام العدسات المكثفة. تعمل هذه العدسات العلوية في المجهر الإلكتروني النافذ على تركيز شعاع الإلكترونات بشكل أكبر إلى الحجم والموقع المطلوبين على العينة. ^{[ 19 ]}

يتم التحكم في حزمة الإلكترونات باستخدام تأثيرين فيزيائيين. يؤدي تفاعل الإلكترونات مع المجال المغناطيسي إلى تحركها وفقًا لقاعدة اليد اليسرى ، مما يسمح للمغناطيسات الكهربائية بالتحكم في حزمة الإلكترونات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمجالات الكهروستاتيكية أن تُسبب انحراف الإلكترونات بزاوية ثابتة. يسمح اقتران انحرافين في اتجاهين متعاكسين مع وجود فجوة صغيرة بينهما بتكوين إزاحة في مسار الحزمة، مما يُتيح تحريكها.

تُعدّ عدسات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) هي ما يمنحه مرونة في أنماط التشغيل وقدرته على تركيز الحزم الضوئية بدقة تصل إلى المستوى الذري وتكبيرها للحصول على صورة. تتكون العدسة عادةً من ملف لولبي محاط بمواد مغناطيسية حديدية مصممة لتركيز المجال المغناطيسي للملف في شكل دقيق ومحدد. عندما يدخل الإلكترون هذا المجال المغناطيسي ويخرج منه، فإنه يدور حلزونيًا حول خطوط المجال المغناطيسي المنحنية بطريقة تشبه إلى حد كبير عمل العدسة الزجاجية العادية للضوء - فهي عدسة مُجمّعة. ولكن، على عكس العدسة الزجاجية، يمكن للعدسة المغناطيسية تغيير قوة تركيزها بسهولة بالغة عن طريق ضبط التيار المار عبر الملفات.

لا تقل أهمية الفتحات عن العدسات، وهي عبارة عن ثقوب دائرية في شرائح رقيقة من معدن ثقيل. بعضها ثابت الحجم والموضع، ويؤدي دورًا هامًا في الحد من توليد الأشعة السينية وتحسين أداء الفراغ. بينما يمكن تغيير أحجام الفتحات الأخرى بحرية، وتعديل مواضعها. تتيح الفتحات المتغيرة بعد العينة للمستخدم اختيار نطاق المواضع المكانية أو زوايا تشتت الإلكترونات المستخدمة في تكوين الصورة أو نمط الحيود.

يشتمل النظام الإلكتروني البصري أيضًا على عاكسات ومصححات الانحراف، المصنوعة عادةً من مغناطيسات كهربائية صغيرة. تسمح العاكسات بالتحكم المستقل في موضع وزاوية الشعاع عند موضع العينة، كما تضمن بقاء الأشعة بالقرب من مراكز الانحرافات المنخفضة لكل عدسة في مجموعة العدسات. أما مصححات الانحراف، فتعوض العيوب الطفيفة والانحرافات التي تسبب الاستجماتيزم - أي اختلاف قوة التركيز البؤري للعدسة في اتجاهات مختلفة.

يتكون المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) عادةً من ثلاث مراحل من العدسات: العدسات المكثفة، والعدسات الشيئية، وعدسات الإسقاط. تتولى العدسات المكثفة مسؤولية تكوين الحزمة الأولية، بينما تعمل العدسات الشيئية على تركيز الحزمة التي تمر عبر العينة نفسها (في وضع المسح المجهري الإلكتروني الماسح (STEM)، توجد أيضًا عدسات شيئية فوق العينة لجعل حزمة الإلكترونات الساقطة متقاربة). تُستخدم عدسات الإسقاط لتوسيع الحزمة على شاشة الفوسفور أو أي جهاز تصوير آخر، مثل الفيلم. يعتمد تكبير المجهر الإلكتروني النافذ على نسبة المسافة بين العينة ومستوى صورة العدسة الشيئية. ^{[ 20 ]} تختلف التكوينات البصرية للمجهر الإلكتروني النافذ اختلافًا كبيرًا باختلاف التطبيق، حيث يستخدم المصنعون تكوينات عدسات مخصصة، كما هو الحال في الأجهزة المصححة للانحراف الكروي ، ^{[ 19 ]} أو المجاهر الإلكترونية النافذة التي تستخدم ترشيح الطاقة لتصحيح الانحراف اللوني للإلكترونات .

تشمل العوامل الرئيسية عند النظر في الكشف عن الإلكترونات كفاءة الكشف الكمي (DQE) ، ووظيفة انتشار النقطة (PSF) ، ووظيفة نقل التعديل (MTF) ، وحجم البكسل وحجم المصفوفة، والضوضاء، وسرعة قراءة البيانات، ومقاومة الإشعاع. ^{[ 23 ]}

تتكون أنظمة التصوير في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) من شاشة فسفورية ، قد تكون مصنوعة من  جزيئات دقيقة (10-100 ميكرومتر) من كبريتيد الزنك ، للمراقبة المباشرة من قِبل المُشغِّل، ونظام لتسجيل الصور مثل فيلم فوتوغرافي ، ^{[ 24 ]} أو شاشة YAG مُطعَّمة مُقترنة بأجهزة اقتران الشحنة (CCD)، ^{[ 25 ]} أو كاشف رقمي آخر. ^{[ 23 ]} عادةً ما يمكن إزالة هذه الأجهزة أو إدخالها في مسار الشعاع حسب الحاجة. (لم يعد يُستخدم الفيلم الفوتوغرافي). كان أول تقرير عن استخدام كاشف جهاز اقتران الشحنة (CCD) في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) في عام 1982، ^{[ 26 ]} لكن هذه التقنية لم تنتشر على نطاق واسع حتى أواخر التسعينيات/أوائل الألفية الثانية. ^{[ 27 ]} كما استُخدمت مستشعرات البكسل النشط المتجانسة (MAPSs) في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM). ^{[ 28 ]} تُستخدم كواشف CMOS ، الأسرع والأكثر مقاومةً للتلف الإشعاعي من كواشف CCD، في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) منذ عام 2005. ^{[ 29 ] [ 30 ]} في أوائل العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، سمح التطوير الإضافي لتقنية CMOS بالكشف عن عدد الإلكترونات المفردة ("وضع العد"). ^{[ 31 ] [ 32 ]} تتوفر كواشف الإلكترون المباشر هذه من شركات Gatan و FEI و Quantum Detectors و Direct Electron . ^{[ 28 ]}

لزيادة متوسط ​​المسار الحر لتفاعل غاز الإلكترونات، يتم تفريغ جهاز المجهر الإلكتروني النافذ القياسي إلى ضغوط منخفضة، عادةً ما تكون في حدود 10 ...10⁻⁴ باسكال  . ^{[ 33 ]} تكمن الحاجة إلى ذلك في أمرين: أولهما مراعاة فرق الجهد بين المهبط والأرض دون توليد قوس كهربائي، وثانيهما تقليل معدل تصادم الإلكترونات مع ذرات الغاز إلى مستويات ضئيلة للغاية - ويُعرف هذا التأثير بمتوسط ^{​​المسار} الحر . يجب إدخال مكونات المجهر الإلكتروني النافذ، مثل حوامل العينات وخراطيش الأفلام، أو استبدالها بشكل دوري، مما يتطلب نظامًا قادرًا على إعادة التفريغ بانتظام. ولذلك، تُجهز أجهزة المجهر الإلكتروني النافذ بأنظمة ضخ متعددة وأقفال هوائية، ولا تُغلق بإحكام بتفريغ الهواء بشكل دائم.

يتكون نظام التفريغ المستخدم في إخلاء المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) إلى مستوى ضغط التشغيل من عدة مراحل. في البداية، يتم تحقيق تفريغ منخفض أو أولي باستخدام مضخة دوارة ذات ريش أو مضخات غشائية، مما يؤدي إلى ضبط ضغط منخفض بما يكفي لتشغيل مضخة توربينية جزيئية أو مضخة انتشار ، والتي بدورها تُنشئ مستوى التفريغ العالي اللازم للعمليات. وللسماح لمضخة التفريغ المنخفض بعدم الحاجة إلى التشغيل المستمر، مع استمرار تشغيل المضخات التوربينية الجزيئية، يمكن توصيل جانب التفريغ لمضخة الضغط المنخفض بحجرات تستوعب غازات العادم من المضخة التوربينية الجزيئية. ^{[ 34 ]} يمكن عزل أجزاء من المجهر الإلكتروني النافذ باستخدام فتحات تحد من الضغط للسماح بمستويات تفريغ مختلفة في مناطق محددة، مثل تفريغ أعلى يتراوح بين 10⁻⁴ ^و10⁻⁷ باسكال أو أعلى في مدفع الإلكترونات في مجاهر TEM عالية الدقة أو ^مجاهر TEM ذات الانبعاث الميداني.

تتطلب مجاهر النفق الإلكتروني عالية الجهد فراغًا فائقًا يتراوح بين 10⁻⁷ ^و10⁻⁹ باسكال لمنع تولد قوس كهربائي، خاصةً عند مهبط المسبار. ^{[ 35 ] ولذلك ،} قد يُستخدم نظام فراغ ثالث في مجاهر النفق الإلكتروني ذات الجهد العالي، حيث يُعزل المدفع عن الحجرة الرئيسية إما بصمامات بوابة أو بفتحة ضخ تفاضلية - وهي فتحة صغيرة تمنع انتشار جزيئات الغاز إلى منطقة المدفع ذات الفراغ العالي بسرعة تفوق سرعة ضخها للخارج. عند هذه الضغوط المنخفضة جدًا، يُستخدم إما مضخة أيونية أو مادة ماصة .

قد يتسبب ضعف الفراغ في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) في العديد من المشاكل، بدءًا من ترسب الغاز داخل المجهر على العينة أثناء فحصها في عملية تُعرف باسم الترسيب المُحفز بشعاع الإلكترون، وصولًا إلى أضرار جسيمة في المهبط ناتجة عن التفريغ الكهربائي. ^{[ 35 ]} يُسهم استخدام مصيدة باردة لامتصاص الغازات المتسامية بالقرب من العينة في الحدّ بشكل كبير من مشاكل الفراغ الناجمة عن تسامي العينة . ^{[ 34 ]}

تتضمن تصميمات منصات عينات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) أقفالًا هوائية تسمح بإدخال حامل العينة في الفراغ مع الحد الأدنى من فقدان الفراغ في أجزاء أخرى من المجهر. تحمل حوامل العينات شبكة عينة قياسية أو عينة ذاتية الدعم. يبلغ قطر شبكات المجهر الإلكتروني النافذ القياسية 3.05  مم، ويتراوح سمكها وحجم فتحاتها من بضعة ميكرومترات إلى 100  ميكرومتر. توضع العينة على المنطقة الشبكية التي يبلغ قطرها حوالي 2.5  مم. عادةً ما تُصنع الشبكات من النحاس أو الموليبدينوم أو الذهب أو البلاتين. توضع هذه الشبكة في حامل العينة، الذي يُقترن بمنصة العينة. تتوفر مجموعة واسعة من تصميمات المنصات والحوامل، وذلك حسب نوع التجربة المُجراة. بالإضافة إلى  الشبكات ذات قطر 3.05 مم، تُستخدم أحيانًا، وإن كان نادرًا، شبكات بقطر 2.3  مم. وقد استُخدمت هذه الشبكات بشكل خاص في علوم المعادن حيث قد يتطلب الأمر درجة ميل كبيرة، وحيث قد تكون مادة العينة نادرة للغاية. يبلغ سمك العينات الشفافة للإلكترونات عادةً أقل من 100  نانومتر، ولكن هذه القيمة تعتمد على جهد التسريع.

بعد إدخال العينة في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، يجب تحريكها لتحديد المنطقة المراد فحصها بواسطة الشعاع، كما هو الحال في حيود الحبيبات المفردة ، في اتجاه محدد. ولتحقيق ذلك، تسمح منصة المجهر الإلكتروني النافذ بتحريك العينة في المستوى XY، وضبط ارتفاعها على المحور Z، وعادةً ما توفر اتجاه إمالة واحد موازٍ لمحور حوامل الإدخال الجانبي. وقد تتوفر إمكانية تدوير العينة في حوامل ومنصات حيود متخصصة. توفر بعض المجاهر الإلكترونية النافذة الحديثة إمكانية تحريك العينة بزاوية إمالة متعامدة باستخدام تصميمات حوامل متخصصة تُسمى حوامل العينات ذات الإمالة المزدوجة. بعض تصميمات المنصات، مثل منصات الإدخال العلوي أو الرأسي التي كانت شائعة في دراسات المجهر الإلكتروني النافذ عالية الدقة، قد تقتصر على الحركة الانتقالية في المستويين XY فقط. معايير تصميم منصات المجهر الإلكتروني النافذ معقدة، نظرًا للمتطلبات المتزامنة للقيود الميكانيكية والإلكترونية البصرية، وتتوفر نماذج متخصصة لمختلف الطرق.

يتطلب تصميم منصة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) القدرة على تثبيت العينة والتحكم بها لتوجيه المنطقة المراد فحصها نحو مسار شعاع الإلكترونات. ونظرًا لقدرة المجهر الإلكتروني النافذ على العمل ضمن نطاق واسع من التكبيرات، يجب أن تتمتع المنصة بمقاومة عالية للانحراف الميكانيكي، بحيث لا يتجاوز الانحراف المطلوب بضعة نانومترات في الدقيقة، مع القدرة على التحرك عدة ميكرومترات في الدقيقة، ودقة إعادة التموضع في حدود النانومترات. ^{[ 36 ]} وقد حققت التصاميم السابقة للمجهر الإلكتروني النافذ هذه الميزة باستخدام مجموعة معقدة من أجهزة التروس الميكانيكية، مما يسمح للمشغل بالتحكم الدقيق في حركة المنصة بواسطة عدة قضبان دوارة. أما الأجهزة الحديثة، فقد تستخدم تصاميم منصات كهربائية، تعتمد على تروس لولبية بالتزامن مع محركات خطوية ، مما يوفر للمشغل إمكانية التحكم في المنصة عبر الحاسوب، باستخدام عصا تحكم أو كرة تتبع .

يوجد تصميمان رئيسيان للمراحل في المجهر الإلكتروني النافذ، أحدهما ذو مدخل جانبي والآخر ذو مدخل علوي. ^{[ 25 ]} يجب أن يتوافق كل تصميم مع الحامل المناسب للسماح بإدخال العينة دون إتلاف بصريات المجهر الإلكتروني النافذ الحساسة أو السماح بدخول الغاز إلى أنظمة المجهر الإلكتروني النافذ تحت الفراغ.

أكثر أنواع حوامل الإدخال الجانبي شيوعًا هو حامل العينة، حيث توضع العينة بالقرب من طرف قضيب معدني طويل (نحاس أو فولاذ مقاوم للصدأ)، وتُثبّت العينة بشكل مسطح في فتحة صغيرة. يوجد على طول القضيب عدة حلقات تفريغ بوليمرية لتكوين مانع تسرب فراغي ذي جودة كافية عند إدخاله في المنصة. صُممت المنصة لاستيعاب القضيب، بحيث توضع العينة إما بين العدسة الشيئية أو بالقرب منها، وذلك حسب تصميم العدسة. عند إدخال حامل الإدخال الجانبي في المنصة، يكون طرفه داخل فراغ المجهر الإلكتروني النافذ، بينما تكون قاعدته معرضة للهواء الجوي، ويتشكل حاجز الهواء بواسطة حلقات التفريغ.

تتضمن إجراءات إدخال حوامل TEM ذات المدخل الجانبي عادةً تدوير العينة لتشغيل مفاتيح دقيقة تبدأ في إخلاء غرفة معادلة الضغط قبل إدخال العينة في عمود TEM.

التصميم الثاني هو حامل الإدخال العلوي، ويتكون من خرطوشة بطول عدة سنتيمترات مثقوبة على طول محورها. تُوضع العينة داخل الثقب، ويمكن تثبيتها باستخدام حلقة لولبية صغيرة. تُدخل هذه الخرطوشة في غرفة معادلة الضغط بحيث يكون الثقب عموديًا على محور عدسة المجهر الإلكتروني النافذ. عند إغلاق غرفة معادلة الضغط، تُدار لدفع الخرطوشة حتى تستقر في مكانها، حيث يتطابق الثقب مع محور الشعاع، فينتقل الشعاع عبر ثقب الخرطوشة إلى العينة. عادةً ما يكون من المستحيل إمالة هذه التصاميم دون حجب مسار الشعاع أو التأثير على العدسة الشيئية. ^{[ 25 ]}

يتكون مدفع الإلكترونات من عدة مكونات: الفتيل، ودائرة التحيز، ومكثف وينيلت، ومصعد الاستخلاص. بتوصيل الفتيل بمصدر الطاقة السالب، يمكن "ضخ" الإلكترونات من مدفع الإلكترونات إلى صفيحة المصعد وعمود المجهر الإلكتروني النافذ، وبذلك تكتمل الدائرة. صُمم المدفع لإنتاج حزمة من الإلكترونات تخرج من الجهاز بزاوية محددة، تُعرف بنصف زاوية تباعد المدفع، α. من خلال تصميم أسطوانة وينيلت بحيث تكون شحنتها السالبة أعلى من شحنة الفتيل نفسه، تُجبر الإلكترونات الخارجة من الفتيل بشكل متباعد، في ظل التشغيل السليم، على التجمع في نمط متقارب، أصغر حجم له هو قطر نقطة تقاطع المدفع.

يمكن ربط كثافة تيار الانبعاث الحراري، J ، بدالة الشغل للمادة الباعثة عبر قانون ريتشاردسون

${\displaystyle J=AT^{2}\exp \left({\frac {-\Phi }{kT}}\right),}$

حيث A هو ثابت ريتشاردسون ، وΦ هي دالة الشغل، و T هي درجة حرارة المادة. ^{[ 25 ]}

تُبيّن هذه المعادلة أنه لتحقيق كثافة تيار كافية، من الضروري تسخين الباعث مع الحرص على عدم إتلافه بتطبيق حرارة زائدة. ولهذا السبب، تُستخدم مواد ذات نقطة انصهار عالية، مثل التنجستن، أو مواد ذات دالة شغل منخفضة (LaB6) في صناعة فتيل المدفع الإلكتروني. _[ ^{37 ] علاوة} على ذلك، يجب تسخين كل من مصادر سداسي بوريد اللانثانوم والتنجستن الحرارية لتحقيق الانبعاث الحراري، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام شريط مقاوم صغير. ولمنع الصدمة الحرارية، يُفرض عادةً تأخير في تطبيق التيار على طرف الباعث، وذلك لمنع تدرجات الحرارة من إتلاف الفتيل. عادةً ما يكون هذا التأخير بضع ثوانٍ لـ LaB6 _، وأقل بكثير للتنجستن .

صُممت العدسات الإلكترونية لتعمل بطريقة تحاكي عمل العدسات البصرية، وذلك بتركيز الإلكترونات المتوازية عند مسافة بؤرية ثابتة. قد تعمل العدسات الإلكترونية إما كهربائيًا أو مغناطيسيًا. تستخدم معظم العدسات الإلكترونية المستخدمة في المجهر الإلكتروني النافذ ملفات كهرومغناطيسية لتوليد عدسة محدبة . يجب أن يكون المجال الناتج للعدسة متناظرًا شعاعيًا، لأن أي انحراف عن التناظر الشعاعي للعدسة المغناطيسية يُسبب انحرافات مثل الاستجماتيزم ، ويزيد من حدة الانحراف الكروي واللوني . تُصنع العدسات الإلكترونية من الحديد، أو سبائك الحديد والكوبالت، أو سبائك النيكل والكوبالت، ^{[ 38 ]} مثل البرمالوي . ويتم اختيار هذه المواد بناءً على خصائصها المغناطيسية، مثل التشبع المغناطيسي ، والتخلف المغناطيسي ، والنفاذية المغناطيسية .

تشمل المكونات النير، والملف المغناطيسي، والأقطاب، وقطعة القطب، ودائرة التحكم الخارجية. يجب تصنيع قطعة القطب بشكل متناظر للغاية، حيث يوفر ذلك الشروط الحدية للمجال المغناطيسي الذي يشكل العدسة. يمكن أن تؤدي العيوب في تصنيع قطعة القطب إلى تشوهات كبيرة في تناظر المجال المغناطيسي، مما يؤدي بدوره إلى تشوهات تحد في النهاية من قدرة العدسات على إعادة إنتاج مستوى الجسم. غالبًا ما يتم تحديد الأبعاد الدقيقة للفجوة، والقطر الداخلي لقطعة القطب، وتناقصها، بالإضافة إلى التصميم العام للعدسة، من خلال تحليل العناصر المحدودة للمجال المغناطيسي، مع مراعاة القيود الحرارية والكهربائية للتصميم. ^{[ 38 ]}

توجد الملفات التي تولد المجال المغناطيسي داخل هيكل العدسة. يمكن لهذه الملفات أن تحمل تيارًا متغيرًا، ولكنها عادةً ما تستخدم جهدًا عاليًا، ولذلك تتطلب عزلًا حراريًا قويًا لمنع حدوث قصر في مكونات العدسة. تُوضع موزعات حرارية لضمان تبديد الحرارة الناتجة عن الطاقة المفقودة بسبب مقاومة لفائف الملفات. يمكن تبريد هذه اللفائف بالماء، باستخدام مصدر مياه مبردة لتسهيل إزالة الحمل الحراري العالي.

الفتحات عبارة عن صفائح معدنية حلقية، تُستخدم لاستبعاد الإلكترونات التي تبعد مسافة محددة عن المحور البصري . تتكون هذه الفتحات من قرص معدني صغير سميك بما يكفي لمنع مرور الإلكترونات، مع السماح بمرور الإلكترونات المحورية. يؤدي السماح بمرور الإلكترونات المركزية في المجهر الإلكتروني النافذ إلى تأثيرين متزامنين: أولًا، تُقلل الفتحات من شدة الحزمة نتيجة ترشيح الإلكترونات منها، وهو أمر مرغوب فيه في حالة العينات الحساسة للحزمة. ثانيًا، يُزيل هذا الترشيح الإلكترونات المتشتتة بزوايا عالية، والتي قد تنتج عن عمليات غير مرغوب فيها مثل الزيغ الكروي أو اللوني، أو عن حيود ناتج عن التفاعل داخل العينة. ^{[ 39 ]}

تُعدّ الفتحات إما فتحة ثابتة داخل العمود، كما هو الحال في عدسة المكثف، أو فتحة متحركة يمكن إدخالها أو إخراجها من مسار الشعاع، أو تحريكها في المستوى العمودي على مسار الشعاع. وتُعتبر مجموعات الفتحات أجهزة ميكانيكية تسمح باختيار أحجام مختلفة للفتحات، والتي يمكن للمشغل استخدامها للموازنة بين شدة الضوء وتأثير الترشيح للفتحة. وغالبًا ما تكون مجموعات الفتحات مزودة بميكرومترات لتحريك الفتحة، وهو أمر ضروري أثناء المعايرة البصرية.

يمكن تعريف التباين بين منطقتين متجاورتين في صورة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) بأنه الفرق في كثافة الإلكترونات في مستوى الصورة. نتيجةً لتشتت الشعاع الساقط بواسطة العينة، يتغير كل من سعة وطور الموجة الإلكترونية، مما ينتج عنه تباين في السعة وتباين في الطور ، على التوالي. تحتوي معظم الصور على كلا عنصري التباين.

يُحصل على تباين السعة نتيجة إزالة بعض الإلكترونات قبل مستوى الصورة. أثناء تفاعلها مع العينة، يفقد بعض الإلكترونات بسبب الامتصاص، أو بسبب التشتت بزوايا عالية جدًا تتجاوز الحدود الفيزيائية للمجهر، أو بسبب حجبها بواسطة فتحة العدسة الشيئية. في حين أن الفقدين الأولين يعودان إلى العينة وبنية المجهر، يمكن للمشغل استخدام فتحة العدسة الشيئية لتحسين التباين.

يُظهر الشكل على اليمين صورة مجهرية إلكترونية نافذة (TEM) (أ) ونمط حيود مُقابل (ب) لغشاء متعدد البلورات من البلاتين، تم التقاطها بدون فتحة عدسة موضوعية. ولتحسين التباين في صورة المجهر الإلكتروني النافذ، يجب تقليل عدد الحزم الضوئية المُشتتة الظاهرة في نمط الحيود. يُمكن تحقيق ذلك باختيار منطقة مُحددة في مستوى البؤرة الخلفية، مثل الحزمة المركزية فقط أو حزمة حيود مُحددة (زاوية)، أو توليفات من هذه الحزم. باختيار فتحة عدسة موضوعية تسمح فقط للحزمة غير المُحيدة بالمرور عبر مستوى البؤرة الخلفية (وإلى مستوى الصورة)، نحصل على صورة المجال الساطع (BF) (ج). أما إذا تم حجب الحزمة المركزية غير المُحيدة، فيُمكن الحصول على صور المجال المظلم (DF) كما هو موضح في (د-هـ). تم الحصول على صور المجال المظلم (د-هـ) باختيار حزم الحيود المُشار إليها في نمط الحيود بدوائر (ب) باستخدام فتحة في مستوى البؤرة الخلفية. تظهر الحبيبات التي تتشتت منها الإلكترونات إلى بقع الحيود هذه أكثر سطوعًا. وسيتم تقديم المزيد من التفاصيل حول تكوين تباين الحيود لاحقًا.

يوجد نوعان من تباين السعة: تباين الكتلة-السماكة وتباين الحيود. لنبدأ بتباين الكتلة-السماكة . عندما يُسلط شعاع الضوء على منطقتين متجاورتين، إحداهما ذات كتلة (أو سماكة) منخفضة والأخرى ذات كتلة (أو سماكة) عالية، فإن المنطقة الأثقل تُشتت الإلكترونات بزوايا أكبر. تُحجب هذه الإلكترونات المشتتة بشدة في وضع المجهر الإلكتروني النافذ ذي المجال المظلم (BF TEM) بواسطة فتحة العدسة الشيئية. ونتيجة لذلك، تظهر المناطق الأثقل داكنة في صور المجال المظلم (ذات شدة إضاءة منخفضة). يُعد تباين الكتلة-السماكة بالغ الأهمية للمواد غير البلورية وغير المتبلورة.

يحدث تباين الحيود نتيجةً لتوجه بلوري محدد لحبيبة ما. في هذه الحالة، يكون اتجاه البلورة مُهيئًا لاحتمالية عالية لحدوث الحيود. يوفر تباين الحيود معلومات حول اتجاه البلورات في عينة متعددة البلورات، بالإضافة إلى معلومات أخرى كالعيوب. تجدر الإشارة إلى أنه في حال وجود تباين في الحيود، لا يمكن تفسيره على أنه ناتج عن اختلافات في الكتلة أو السُمك.

تباين الحيود

يمكن أن تُظهر العينات تباينًا حيوديًا، حيث يخضع شعاع الإلكترونات للحيود ، وفي حالة العينة البلورية، يتشتت الإلكترونات إلى مواقع منفصلة في مستوى البؤرة الخلفية . ومن خلال وضع فتحات في مستوى البؤرة الخلفية، أي فتحة العدسة الشيئية، يمكن اختيار (أو استبعاد) متجهات الشبكة المقلوبة المطلوبة ، وبالتالي فإن أجزاء العينة التي تتسبب في تشتت الإلكترونات إلى الانعكاسات المختارة فقط هي التي ستُسقط على جهاز التصوير.

إذا لم تتضمن الانعكاسات المختارة الشعاع غير المتشتت (الذي سيظهر عند البؤرة البؤرية للعدسة)، فستظهر الصورة داكنة في أي مكان لا يوجد فيه تشتت للعينة إلى الذروة المختارة، حيث ستظهر هذه المنطقة الخالية من العينة داكنة. يُعرف هذا النوع من الصور بصورة الحقل المظلم.

غالبًا ما تكون أجهزة المجهر الإلكتروني النافذ الحديثة مزودة بحوامل عينات تسمح للمستخدم بإمالة العينة إلى مجموعة من الزوايا من أجل الحصول على ظروف حيود محددة، كما تسمح الفتحات الموضوعة فوق العينة للمستخدم بتحديد الإلكترونات التي كان من الممكن أن تنحرف في اتجاه معين من دخول العينة.

تشمل تطبيقات هذه الطريقة تحديد عيوب الشبكة البلورية. باختيار اتجاه العينة بعناية، يُمكن تحديد موضع العيوب ونوعها. إذا وُجّهت العينة بحيث يميل مستوى معين قليلاً عن زاوية الحيود الأقوى (المعروفة بزاوية براغ )، فإن أي تشوه في مستوى البلورة يُؤدي إلى إمالة موضعية للمستوى باتجاه زاوية براغ سيُنتج تباينات قوية بشكل خاص. مع ذلك، فإن العيوب التي تُؤدي فقط إلى إزاحة الذرات دون إمالة البلورة باتجاه زاوية براغ (أي الإزاحات الموازية لمستوى البلورة) ستُنتج تباينًا أضعف. ^{[ 42 ]}

كما ذُكر سابقًا، يُمكن توليد نمط حيود عن طريق ضبط العدسات المغناطيسية بحيث يكون مستوى البؤرة الخلفية للعدسة، بدلًا من مستوى التصوير، على جهاز التصوير . بالنسبة للعينات البلورية الرقيقة، ينتج عن ذلك صورة تتكون من نمط من النقاط في حالة البلورة الأحادية، أو سلسلة من الحلقات في حالة المواد الصلبة متعددة البلورات أو غير المتبلورة . في حالة البلورة الأحادية، يعتمد نمط الحيود على اتجاه العينة وبنيتها التي يُضيئها شعاع الإلكترون. تُزوّد ​​هذه الصورة الباحث بمعلومات حول تناظرات المجموعة الفراغية في البلورة واتجاهها بالنسبة لمسار الشعاع. ويتم ذلك عادةً دون استخدام أي معلومات سوى موضع ظهور بقع الحيود وتناظرات الصورة المرصودة.

قد تتميز أنماط الحيود بنطاق ديناميكي واسع، وبالنسبة للعينات البلورية، قد تتجاوز شدتها تلك التي يمكن تسجيلها بواسطة كاميرا CCD. ولذلك، قد لا تزال أجهزة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) مزودة بخراطيش أفلام للحصول على هذه الصور، لأن الفيلم عبارة عن كاشف يُستخدم لمرة واحدة.

قد يكون تحليل أنماط الحيود التي تتجاوز موضع النقطة معقدًا، نظرًا لحساسية الصورة لعدد من العوامل مثل سُمك العينة واتجاهها، وعدم وضوح عدسة الشيئية، والانحراف الكروي واللوني. ورغم إمكانية التفسير الكمي للتباين الظاهر في صور الشبكة، إلا أنه معقد بطبيعته وقد يتطلب محاكاة وتحليلًا حاسوبيًا مكثفًا، مثل تحليل الشرائح المتعددة للإلكترونات . ^{[ 43 ]}

من الممكن أيضًا حدوث سلوك أكثر تعقيدًا في مستوى الحيود، مع ظهور ظواهر مثل خطوط كيكوتشي الناتجة عن حيود متعدد داخل الشبكة البلورية. في حيود الإلكترونات بحزمة متقاربة (CBED)، حيث يتم إنتاج جبهة موجية إلكترونية غير متوازية، أي متقاربة، عن طريق تركيز حزمة الإلكترونات في مسبار دقيق على سطح العينة، يمكن أن يوفر تفاعل الحزمة المتقاربة معلومات تتجاوز البيانات الهيكلية مثل سمك العينة.

بما أن حوامل عينات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) تسمح عادةً بتدوير العينة بالزاوية المطلوبة، فإنه يمكن الحصول على صور متعددة لنفس العينة بتدويرها حول محور عمودي على شعاع المجهر. ومن خلال التقاط صور متعددة لعينة واحدة من المجهر الإلكتروني النافذ بزوايا مختلفة، عادةً بزيادات قدرها درجة واحدة، يمكن جمع مجموعة من الصور تُعرف باسم "سلسلة الإمالة". وقد اقترح والتر هوب هذه المنهجية في سبعينيات القرن الماضي . وفي ظل ظروف تباين الامتصاص البحتة، يمكن استخدام هذه المجموعة من الصور لإنشاء تمثيل ثلاثي الأبعاد للعينة. ^{[ 46 ]}

تتم عملية إعادة البناء عبر خطوتين: أولاً، تُحاذى الصور لتصحيح أخطاء تحديد موضع العينة، والتي قد تحدث نتيجة الاهتزاز أو الانحراف الميكانيكي. ^{[ 47 ]} تستخدم طرق المحاذاة خوارزميات تسجيل الصور ، مثل طرق الارتباط الذاتي، لتصحيح هذه الأخطاء. ثانياً، باستخدام خوارزمية إعادة بناء، مثل الإسقاط الخلفي المُصفّى ، يمكن تحويل شرائح الصور المحاذية من مجموعة صور ثنائية الأبعاد، I _{_j} ( x , y )، إلى صورة ثلاثية الأبعاد واحدة، I '_{_j} ( x , y , z ). تكتسب هذه الصورة ثلاثية الأبعاد أهمية خاصة عند الحاجة إلى معلومات مورفولوجية، ويمكن إجراء المزيد من الدراسات باستخدام خوارزميات حاسوبية، مثل الأسطح المتساوية وتقطيع البيانات، لتحليل البيانات.   

نظرًا لعدم إمكانية عرض عينات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) عادةً عند دورانها بزاوية 180 درجة كاملة، فإن الصور المرصودة تعاني عادةً من "جزء مفقود" من البيانات، مما يقلل، عند استخدام طرق الإسقاط الخلفي القائمة على تحويل فورييه ، من نطاق الترددات القابلة للتمييز في إعادة البناء ثلاثي الأبعاد. ^{[ 46 ]} يمكن استخدام تحسينات ميكانيكية، مثل الإمالة متعددة المحاور (سلسلتان من الإمالة لنفس العينة في اتجاهين متعامدين) والتصوير المقطعي المخروطي (حيث تُمال العينة أولًا إلى زاوية ثابتة معينة، ثم تُصوَّر بزيادات دوران زاوية متساوية خلال دورة كاملة واحدة في مستوى شبكة العينة) للحد من تأثير البيانات المفقودة على مورفولوجيا العينة المرصودة. باستخدام تقنية طحن حزمة الأيونات المركزة ، تم اقتراح تقنية جديدة ^{[ 48 ]} تستخدم عينة على شكل عمود وحامل تصوير مقطعي محوري مخصص لإجراء دوران 180 درجة للعينة داخل قطعة القطب للعدسة الشيئية في المجهر الإلكتروني النافذ. باستخدام هذه الترتيبات، يصبح التصوير المقطعي الإلكتروني الكمي ممكنًا دون الجزء المفقود من البيانات. ^{[ 49 ]} بالإضافة إلى ذلك، توجد تقنيات عددية يمكنها تحسين البيانات التي تم جمعها.

تتضمن جميع الطرق المذكورة أعلاه تسجيل سلسلة من الصور المائلة لحقل عينة معين. ويؤدي هذا حتمًا إلى تراكم جرعة عالية من الإلكترونات التفاعلية عبر العينة، وما يصاحب ذلك من فقدان للتفاصيل الدقيقة أثناء التسجيل. ولذلك، تُستخدم تقنية التصوير بجرعة منخفضة (الحد الأدنى من الجرعة) بانتظام للتخفيف من هذا التأثير. يتم التصوير بجرعة منخفضة عن طريق توجيه الإضاءة ومناطق التصوير في آنٍ واحد بعيدًا عن المحور البصري لتصوير منطقة مجاورة للمنطقة المراد تسجيلها (منطقة الجرعة العالية). تُحافظ هذه المنطقة على مركزها أثناء الإمالة، ويُعاد تركيزها قبل التسجيل. أثناء التسجيل، تُزال الانحرافات بحيث تتعرض المنطقة المراد تصويرها لحزمة الإلكترونات فقط للمدة اللازمة للتصوير. يتمثل أحد التحسينات على هذه التقنية (للأجسام الموضوعة على طبقة رقيقة مائلة) في وجود منطقتين متناظرتين خارج المحور للتركيز، يليهما ضبط التركيز على متوسط ​​قيمتي التركيز في منطقة الجرعة العالية قبل تسجيل منطقة الجرعة المنخفضة المراد تصويرها.

تستخدم المتغيرات غير التصويرية لهذه الطريقة، والتي تُعرف بتحليل الجسيمات المفردة ، صورًا لأجسام متعددة (يُفترض أنها متطابقة) في اتجاهات مختلفة لإنتاج بيانات الصور اللازمة لإعادة البناء ثلاثي الأبعاد. إذا لم تكن للأجسام اتجاهات مفضلة واضحة، فإن هذه الطريقة لا تعاني من مشكلة البيانات المفقودة (سواء كانت إسفينًا أو مخروطًا) التي تصاحب طرق التصوير المقطعي، كما أنها لا تُعرّض الجسم لجرعات إشعاعية مفرطة، إلا أنها تفترض إمكانية التعامل مع الأجسام المختلفة المصورة كما لو أن البيانات ثلاثية الأبعاد المُولّدة منها ناتجة عن جسم واحد ثابت.

قبل التقطيع، تُغمر الأنسجة البيولوجية عادةً في قالب من راتنج الإيبوكسي، ثم تُشذب باستخدام شفرة حلاقة لتشكيل سطح شبه منحرف. بعد ذلك، تُقطع شرائح سميكة من سطح القالب. تُصبغ هذه الشرائح السميكة بشكل مبدئي بصبغة التولويدين الأزرق، وتُفحص لتحديد اتجاه العينة والقالب قبل تقطيعها إلى شرائح رقيقة. ^{[ 52 ]} ثم تُرقق الأنسجة البيولوجية إلى أقل من 100  نانومتر باستخدام جهاز الميكروتوم فائق الدقة . يُكسر قالب الراتنج أثناء مروره فوق حافة سكين زجاجية أو ماسية. ^{[ 53 ]} تُستخدم هذه الطريقة للحصول على عينات رقيقة ذات تشوه طفيف، مما يسمح بملاحظة البنية الدقيقة للأنسجة. يمكن أيضًا غمر العينات غير العضوية، مثل الألومنيوم، في الراتنجات وتقطيعها إلى شرائح رقيقة جدًا بهذه الطريقة، باستخدام سكاكين زجاجية مطلية أو من الياقوت أو سكاكين ماسية ذات زاوية أكبر. ^{[ 54 ]} ولمنع تراكم الشحنات على سطح العينة عند فحصها بالمجهر الإلكتروني النافذ، يجب طلاء عينات الأنسجة بطبقة رقيقة من مادة موصلة، مثل الكربون.

تحتاج عينات الأنسجة البيولوجية المأخوذة بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) إلى أصباغ ذات أعداد ذرية عالية لتحسين التباين. تمتص هذه الأصباغ إلكترونات الحزمة الإلكترونية أو تشتت جزءًا منها، والتي لولا ذلك لسقطت على نظام التصوير. يمكن استخدام مركبات المعادن الثقيلة ، مثل الأوزميوم والرصاص واليورانيوم أو الذهب (في تقنية الوسم المناعي بالذهب ) ، قبل فحص العينات بالمجهر الإلكتروني النافذ لترسيب ذرات كثيفة الإلكترونات بشكل انتقائي داخل العينة أو على سطحها في المنطقة الخلوية أو البروتينية المطلوبة. تتطلب هذه العملية فهم كيفية ارتباط المعادن الثقيلة بأنسجة بيولوجية محددة وبنى خلوية. ^{[ 55 ]}

يُعدّ التلوين السلبي شكلاً آخر من أشكال تلوين العينات ، حيث تُطبّق كمية أكبر من صبغة المعادن الثقيلة على العينة. ^{[ 56 ]} والنتيجة هي عينة ذات خلفية داكنة وسطحها الطوبولوجي يبدو أفتح. يُمكن أن يكون المجهر الإلكتروني بالتلوين السلبي مثاليًا لتصوير أو تكوين نماذج ثلاثية الأبعاد للبروتينات الكبيرة أو المركبات الجزيئية الضخمة (أكبر من  150  كيلو دالتون). بالنسبة للبروتينات الأصغر حجمًا، يُمكن استخدام التلوين السلبي كخطوة فحص لتحديد تركيز العينة الأمثل للمجهر الإلكتروني المبرد . ^{[ 56 ]}

يُستخدم التلميع الميكانيكي أيضًا لتحضير العينات للتصوير باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ. يجب أن يتم التلميع بجودة عالية لضمان ثبات سُمك العينة في المنطقة المراد تصويرها. يمكن استخدام مركب تلميع من الماس أو نتريد البورون المكعب في المراحل النهائية لإزالة أي خدوش قد تُسبب تذبذبات في التباين نتيجة لاختلاف سُمك العينة. حتى بعد التلميع الميكانيكي الدقيق، قد يلزم استخدام طرق دقيقة إضافية، مثل الحفر الأيوني، لإجراء عملية ترقيق نهائية.

يمكن تحضير بعض العينات، وخاصة العينات المعدنية، باستخدام التخريش الكيميائي. تُرقق هذه العينات باستخدام مادة تخريش كيميائية، مثل الحمض، لتحضيرها للملاحظة بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM). قد تسمح أجهزة التحكم في عملية الترقيق للمشغل بالتحكم في الجهد أو التيار المار عبر العينة، وقد تتضمن أنظمة للكشف عن وصول العينة إلى مستوى كافٍ من الشفافية البصرية.

الحفر الأيوني هو عملية رشّ قادرة على إزالة كميات دقيقة جدًا من المادة. تُستخدم هذه العملية لصقل العينات المصقولة بوسائل أخرى. يعتمد الحفر الأيوني على تمرير غاز خامل عبر مجال كهربائي لتوليد تيار بلازما يُوجّه نحو سطح العينة. تتراوح طاقات التسارع للغازات، مثل الأرجون، عادةً بين بضعة كيلوفولتات. يمكن تدوير العينة لضمان صقل سطحها بشكل متساوٍ. يبلغ معدل الرشّ في هذه الطرق عشرات الميكرومترات في الساعة، مما يحدّ من استخدامها في الصقل الدقيق للغاية.

أظهرت الدراسات الحديثة أن الحفر الأيوني باستخدام غاز الأرجون قادر على صقل هياكل طبقات الوصلات النفقية المغناطيسية (MTJ) وصولاً إلى طبقة محددة تم تحليلها بدقة ذرية. وتُظهر صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) الملتقطة من الأعلى بدلاً من المقطع العرضي أن طبقة أكسيد المغنيسيوم (MgO) داخل الوصلات النفقية المغناطيسية تحتوي على عدد كبير من حدود الحبيبات التي قد تُضعف خصائص الأجهزة. ^{[ 57 ]}

في الآونة الأخيرة، استُخدمت طرق الحزمة الأيونية المركزة (FIB) لتحضير العينات. تُعدّ FIB تقنية حديثة نسبيًا لتحضير عينات رقيقة لفحصها بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) من عينات أكبر حجمًا. نظرًا لقدرة FIB على تصنيع العينات بدقة متناهية، يُمكن طحن أغشية رقيقة جدًا من منطقة محددة في العينة، مثل أشباه الموصلات أو المعادن. على عكس التذرية الأيونية بالغاز الخامل، تستخدم FIB أيونات الغاليوم ذات طاقة أعلى بكثير، وقد تُغيّر تركيب المادة أو بنيتها من خلال زرع الغاليوم. ^{[ 58 ]}

لتقليل إدخال الإجهاد والانحناء إلى عينات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ( الصفائح الرقيقة والأغشية الرقيقة وغيرها من العينات الحساسة ميكانيكيًا وشعاعيًا)، عند نقلها داخل حزمة أيونية مركزة (FIB)، يمكن ربط الأسلاك النانوية المعدنية المرنة بجهاز معالجة دقيق صلب عادةً .

تشمل المزايا الرئيسية لهذه الطريقة تقليلًا كبيرًا في وقت تحضير العينة (اللحام والقطع السريع للأسلاك النانوية عند تيار شعاع منخفض)، والحد من الانحناء الناتج عن الإجهاد، وتلوث البلاتين، وتلف شعاع الأيونات. ^{[ 59 ]} تُعد هذه التقنية مناسبة بشكل خاص لتحضير عينات المجهر الإلكتروني في الموقع .

يمكن أيضًا استنساخ العينات باستخدام غشاء أسيتات السليلوز ، حيث يُغطى الغشاء لاحقًا بمعدن ثقيل مثل البلاتين، ثم يُذاب الغشاء الأصلي، وتُصوَّر النسخة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ. تُستخدم تقنيات الاستنساخ المختلفة لكل من المواد والعينات البيولوجية. في علم المواد، يُستخدم هذا الأسلوب بشكل شائع لفحص سطح الكسر الحديث لسبائك المعادن.

يمكن تحويل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) إلى مجهر إلكتروني ماسح نافذ (STEM) بإضافة نظام يقوم بمسح شعاع متقارب عبر العينة لتكوين الصورة، وذلك عند دمجه مع كواشف مناسبة. تُستخدم ملفات المسح لتغيير مسار الشعاع، مثلاً عن طريق إزاحته كهرساكنة، حيث يُجمع الشعاع باستخدام كاشف تيار مثل كأس فاراداي ، الذي يعمل كعداد إلكتروني مباشر. من خلال ربط عدد الإلكترونات بموضع شعاع المسح (المعروف باسم "المسبار")، يمكن قياس المكون النافذ للشعاع. أما المكونات غير النافذة، فيمكن الحصول عليها إما بإمالة الشعاع أو باستخدام كواشف المجال المظلم الحلقية .

يرتبط المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) والمجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) ارتباطًا وثيقًا عبر مبدأ التبادلية لهلمهولتز . يُعدّ STEM نوعًا من TEM، حيث تم تبديل موقع مصدر الإلكترونات ونقطة الرصد بالنسبة لاتجاه حركة حزمة الإلكترونات. انظر إلى مخططات الأشعة في الشكل على اليمين. يعتمد جهاز STEM فعليًا على نفس الإعداد البصري لجهاز TEM، ولكنه يعمل عن طريق عكس اتجاه حركة الإلكترونات (أو عكس الزمن) أثناء تشغيل TEM. وبدلًا من استخدام فتحة للتحكم في الإلكترونات المكتشفة، كما هو الحال في TEM، يستخدم STEM كواشف متعددة بزوايا تجميع قابلة للتعديل حسب الإلكترونات التي يرغب المستخدم في التقاطها.

يعمل المجهر الإلكتروني ذو الجهد المنخفض (LVEM) بجهد تسريع إلكتروني منخفض نسبيًا يتراوح بين 5 و25 كيلوفولت. قد يجمع بعض هذه المجاهر بين وظائف المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) والمجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) في جهاز واحد صغير الحجم. يزيد الجهد المنخفض من تباين الصورة، وهو أمر بالغ الأهمية خاصةً للعينات البيولوجية. هذه الزيادة في التباين تقلل بشكل كبير، أو حتى تلغي الحاجة إلى التلوين. يمكن تحقيق دقة تصل إلى بضعة نانومترات في أوضاع TEM وSEM وSTEM. تعني الطاقة المنخفضة لحزمة الإلكترونات إمكانية استخدام مغناطيسات دائمة كعدسات، وبالتالي استخدام عمود مصغر لا يتطلب تبريدًا. ^{[ 60 ] [ 61 ]}

يستخدم المجهر الإلكتروني النافذ المبرد (Cryo-TEM أو Cryo-EM) مجهرًا إلكترونيًا نافذًا مزودًا بحامل عينات قادر على الحفاظ على العينة عند درجات حرارة النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل . ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]} يتيح ذلك تصوير العينات المُحضّرة في الجليد الزجاجي ، وهي تقنية التحضير المُفضّلة لتصوير الجزيئات الفردية أو التجمعات الجزيئية الكبيرة ، ^{[ 65 ]} وتصوير واجهات الأقطاب الكهربائية الصلبة المُزجّجة، ^{[ 66 ]} وتصوير المواد المتطايرة في الفراغ العالي عند درجة حرارة الغرفة، مثل الكبريت. ^{[ 67 ]} بالنسبة للعديد من المواد أو الأجهزة الكمومية، تُعدّ درجات الحرارة المنخفضة أو درجات الحرارة المنخفضة جدًا ^{[ 68 ]} ضرورية للوصول إلى الأطوار التي يظهر فيها السلوك الكمومي الناشئ. ^{[ 69 ]}

يمكن أيضًا إجراء التجارب في الموقع باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) من خلال حجرات عينات ذات ضخ تفاضلي، أو حوامل متخصصة. ^{[ 70 ]} تشمل أنواع التجارب في الموقع دراسة المواد النانوية، ^{[ 71 ]} والعينات البيولوجية، والتفاعلات الكيميائية للجزيئات، ^{[ 72 ]} والمجهر الإلكتروني في الطور السائل ، ^{[ 73 ] [ 74 ]} واختبار تشوه المواد. ^{[ 75 ]}

تحدث العديد من التحولات الطورية أثناء التسخين. بالإضافة إلى ذلك، يحدث التضخم ونمو الحبيبات، إلى جانب عمليات أخرى مرتبطة بالانتشار، بسرعة أكبر عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث تتحسن الحركية، مما يسمح بملاحظة الظواهر ذات الصلة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ ضمن أطر زمنية معقولة. كما يسمح ذلك بملاحظة الظواهر التي تحدث عند درجات حرارة مرتفعة وتختفي أو لا تُحفظ بشكل موحد في العينات المأخوذة من خارج الموقع.

تُضيف تقنية المجهر الإلكتروني النافذ عالي الحرارة تحديات إضافية عديدة يجب معالجتها في آليات حوامل العينات عالية الحرارة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر تصحيح الانحراف، وقياس درجة الحرارة، وانخفاض الدقة المكانية على حساب استخدام حوامل أكثر تعقيدًا. ^{[ 76 ] [ 77 ]}

يتناسب انحراف العينة في المجهر الإلكتروني النافذ تناسبًا طرديًا مع فرق درجة الحرارة بين الغرفة وحامل العينة. مع درجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية في الحوامل الحديثة، قد تتعرض العينات لانحراف كبير وإزاحة رأسية (انتفاخ)، مما يستدعي ضبطًا مستمرًا للتركيز أو المنصة، ويؤدي إلى فقدان الدقة وانحراف ميكانيكي. ^{[ 78 ] [ 79 ]} وقد طورت مختبرات وشركات مصنعة برامجًا مقترنة بأنظمة تبريد متقدمة لتصحيح الانحراف الحراري بناءً على درجة الحرارة المتوقعة في حجرة العينة. ^{[ 76 ] [ 79 ] [ 80 ]} غالبًا ما تستغرق هذه الأنظمة من 30 دقيقة إلى عدة ساعات حتى تستقر إزاحات العينة. ورغم التقدم الملحوظ، لم يتم التوصل إلى ملحق عالمي للمجهر الإلكتروني النافذ لمعالجة الانحراف عند درجات الحرارة المرتفعة. ^{[ 77 ] [ 78 ] [ 80 ]}

يُعدّ تحديد درجة حرارة العينة الموضعية تحديًا إضافيًا للعديد من هذه الحوامل المتخصصة. تستخدم العديد من الحوامل عالية الحرارة سلكًا من التنجستن لتسخين العينة موضعيًا. ^{[ 76 ] [ 79 ]} ينشأ الغموض في قياس درجة الحرارة في سخانات الأفران (سلك التنجستن) المزودة بمزدوجات حرارية من التلامس الحراري بين الفرن وشبكة المجهر الإلكتروني النافذ؛ ويتعقد الأمر بسبب تدرجات درجة الحرارة على طول العينة الناتجة عن اختلاف الموصلية الحرارية باختلاف العينات ومواد الشبكة. ^{[ 77 ]} تتوفر طرق مختلفة لمعايرة درجة الحرارة مع مختلف الحوامل، سواء التجارية أو المصنعة مخبريًا. تستخدم شركات مصنعة مثل جاتان قياس الإشعاع الحراري بالأشعة تحت الحمراء لقياس تدرجات درجة الحرارة على كامل العينة. وتُعدّ مطيافية رامان طريقة أفضل للمعايرة، حيث تقيس درجة الحرارة الموضعية لمسحوق السيليكون على نوافذ شفافة للإلكترونات، وتُعاير قياس الإشعاع الحراري بالأشعة تحت الحمراء كميًا. تتميز هذه القياسات بدقة مضمونة في حدود 5%. كما أجرت مختبرات الأبحاث معايراتها الخاصة على الحوامل التجارية. استخدم باحثون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) مطيافية رامان لرسم خريطة توزيع درجة الحرارة لعينة على شبكة مجهر إلكتروني نافذ (TEM)، وحققوا قياسات دقيقة للغاية لتعزيز أبحاثهم. ^{[ 81 ]} وبالمثل، استخدم فريق بحثي في ​​ألمانيا حيود الأشعة السينية لقياس الانزياحات الطفيفة في تباعد الشبكة البلورية الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة، وذلك لحساب درجة الحرارة الدقيقة داخل الحامل. تطلبت هذه العملية معايرة دقيقة وبصريات مجهر إلكتروني نافذ عالية الدقة. ^{[ 82 ]} ومن الأمثلة الأخرى استخدام مطيافية فقدان طاقة الإلكترون (EELS) لقياس درجة الحرارة الموضعية باستخدام تغير كثافة الغاز، ^{[ 83 ]} وتغيرات المقاومة الكهربائية. ^{[ 77 ]}

تُحقق الدقة المثلى في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) عند تصحيح الانحرافات الكروية باستخدام العدسة الشيئية. مع ذلك، ونظرًا لتصميم معظم مجاهر TEM، فإن إدخال حوامل كبيرة الحجم في الموقع يتطلب من المستخدم التضحية بالعدسة الشيئية وتحمل الانحرافات الكروية. لذا، ثمة مفاضلة بين عرض فجوة القطب والدقة المكانية التي تقل عن 0.1  نانومتر. وقد سعت فرق بحثية في مؤسسات مختلفة إلى التغلب على الانحرافات الكروية باستخدام أحاديات اللون لتحقيق  دقة 0.05 نانومتر مع  فجوة قطب تبلغ 5 مليمترات. ^{[ 84 ]}

تتيح الدقة العالية للمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) مراقبة العينة قيد الدراسة على نطاق طولي يتراوح من مئات النانومترات إلى عدة أنغسترومات. وهذا يسمح بتصوير كل من التشوه المرن واللدن عبر حقول الإجهاد، بالإضافة إلى حركة العيوب البلورية مثل تشوهات الشبكة وحركة الانخلاعات . ومن خلال المراقبة المتزامنة لظواهر التشوه وقياس الاستجابة الميكانيكية في الموقع، يُمكن ربط معلومات الاختبارات الميكانيكية النانوية بنماذج تصف دقة وتعقيد استجابة المواد للإجهاد والانفعال. ^{[ 85 ]} وتعتمد خصائص المادة ودقة البيانات المُستقاة من هذه الاختبارات الميكانيكية النانوية إلى حد كبير على حامل الإجهاد الميكانيكي المُستخدم. وتتمتع حوامل الإجهاد الحالية بالقدرة على إجراء اختبارات الشد ، والاختبارات النانوية للصلابة ، واختبارات الضغط، واختبارات القص، واختبارات الانحناء على المواد. ^{[ 86 ]}

قد تتضمن مجاهر النفق الإلكتروني الحديثة المستخدمة في الأبحاث مصححات الانحرافات ^{[ 19 ]} لتقليل التشوه في الصورة. كما يمكن استخدام أحاديات اللون لحزمة الإلكترونات الساقطة، والتي تقلل من تشتت طاقة حزمة الإلكترونات الساقطة إلى أقل من 0.15 إلكترون فولت ^{[ 19 ]} . ومن أبرز الشركات المصنعة لمجاهر النفق الإلكتروني المصححة للانحرافات: JEOL ، وHitachi High Technologies، و FEI Company ، وNION. 

من الممكن الوصول إلى دقة زمنية تتجاوز بكثير معدل قراءة كاشفات الإلكترونات باستخدام الإلكترونات النبضية . يمكن إنتاج النبضات إما بتعديل مصدر الإلكترونات لتمكين الانبعاث الضوئي المُحفَّز بالليزر ^{[ 100 ]} أو بتركيب مُخفِّف شعاع فائق السرعة ^{[ 101 ]} . يُطلق على هذا النهج اسم المجهر الإلكتروني النافذ فائق السرعة عند استخدام إضاءة الضخ والاستشعار الوميضية : حيث تتشكل الصورة من خلال تراكم العديد من نبضات الإلكترونات فائقة القصر (عادةً مئات الفيمتوثانية) مع تأخير زمني ثابت بين وصول نبضة الإلكترون وإثارة العينة. من ناحية أخرى، يُطلق على استخدام نبضة إلكترونية واحدة أو سلسلة قصيرة من نبضات الإلكترونات مع عدد كافٍ من الإلكترونات لتكوين صورة من كل نبضة اسم المجهر الإلكتروني النافذ الديناميكي. يُمكن تحقيق دقة زمنية تصل إلى مئات الفيمتوثانية ودقة مكانية تُضاهي تلك المُتاحة مع مصدر انبعاث حقل شوتكي في المجهر الإلكتروني النافذ فائق السرعة. ^{[ 102 ]} باستخدام تقنية البوابة الضوئية، ^{[ 103 ]} تصل الدقة الزمنية في المجهر الإلكتروني فائق السرعة إلى 30 فيمتوثانية، مما يسمح بتصوير ديناميكيات الذرات والإلكترونات فائقة السرعة للمادة. ^{[ 104 ]} مع ذلك، لا تستطيع هذه التقنية تصوير سوى العمليات العكوسة التي يمكن تكرارها ملايين المرات. أما المجهر الإلكتروني النافذ الديناميكي، فيمكنه رصد العمليات غير العكوسة بدقة تصل إلى عشرات النانوثواني وعشرات النانومترات. ^{[ 105 ]}

طُوّرت هذه التقنية في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين في مختبرات بألمانيا ( جامعة برلين التقنية ^{[ 100 ]} ) والولايات المتحدة الأمريكية ( معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ^{[ 106 ] [ 107 ]} ومختبر لورانس ليفرمور الوطني ^{[ 108 ] [ 109 ]} ). وقد مكّنت تقنيات المجهر الإلكتروني النافذ فائق السرعة والمجهر الإلكتروني النافذ الديناميكي من دراسة العديد من الظواهر الفيزيائية والكيميائية على المستوى النانوي في الوقت الحقيقي.

يُعدّ المجهر الإلكتروني ذو المجال القريب المُستحثّ ضوئيًا (PINEM) أحدَ المتغيرات المثيرة للاهتمام لتقنية المجهر الإلكتروني النافذ فائق السرعة . يعتمد هذا الأخير على الاقتران غير المرن بين الإلكترونات والفوتونات في وجود سطح أو بنية نانوية. ^{[ 110 ]} تُمكّن هذه الطريقة من دراسة المجالات الكهرومغناطيسية النانوية المتغيرة مع الزمن في المجهر الإلكتروني، بالإضافة إلى تشكيل خصائص موجة حزمة الإلكترونات ديناميكيًا.

يمكن وصف حد الدقة الممكن الحصول عليه في المجهر الإلكتروني النافذ بعدة طرق، ويُشار إليه عادةً بحد المعلومات للمجهر. إحدى القيم الشائعة الاستخدام هي قيمة القطع لدالة نقل التباين ، وهي دالة تُذكر عادةً في مجال التردد لتحديد إعادة إنتاج الترددات المكانية للأجسام في مستوى الجسم بواسطة بصريات المجهر. يمكن تقريب تردد القطع، q _max ، لدالة النقل بالمعادلة التالية، حيث C _s هو معامل الانحراف الكروي و λ هو الطول الموجي للإلكترون: ^{[ 39 ]}

${\displaystyle q_{\max }={\frac {1}{0.67(C_{\text{s}}\lambda ^{3})^{1/4}}}.}$

بالنسبة  لمجهر يعمل بجهد 200 كيلوفولت، مع تصحيح جزئي للانحرافات الكروية (حتى الرتبة الثالثة) وقيمة C _{_s} تساوي 1  ميكرومتر، ^{[ 112 ]} قد تكون قيمة القطع النظرية 1/ q_{_max} = 42 بيكومتر . ^{[ 39 ]} أما المجهر نفسه بدون مصحح، فستكون قيمة C _{_s} فيه 0.5 مليمتر، وبالتالي ستكون قيمة القطع 200 بيكومتر. ^{[ 112 ]} يتم كبح الانحرافات الكروية حتى الرتبة الثالثة أو الخامسة في المجاهر " المصححة للانحرافات ". ومع ذلك، فإن دقتها محدودة بهندسة مصدر الإلكترونات وسطوعه، بالإضافة إلى الانحرافات اللونية في نظام العدسة الشيئية. ^{[ 19 ] [ 113 ]}   

قد يتسم تمثيل دالة نقل التباين في مجال التردد بطبيعة تذبذبية، ^{[ 114 ]} يمكن ضبطها عن طريق تغيير البعد البؤري للعدسة الشيئية. تشير هذه الطبيعة التذبذبية إلى أن بعض الترددات المكانية تُصوَّر بدقة بواسطة المجهر، بينما تُخفَّف ترددات أخرى. من خلال دمج صور متعددة ذات ترددات مكانية مختلفة، يمكن استخدام تقنيات مثل إعادة بناء سلسلة البؤرة لتحسين دقة المجهر الإلكتروني النافذ بشكل محدود. ^{[ 39 ]} يمكن، إلى حد ما، تقريب دالة نقل التباين تجريبيًا من خلال تقنيات مثل تحويل فورييه لصور المواد غير المتبلورة، مثل الكربون غير المتبلور .

في الآونة الأخيرة، ساهمت التطورات في تصميم مصححات الانحرافات في تقليل الانحرافات الكروية ^{[ 115 ]} وتحقيق دقة أقل من 0.5 أنغستروم (50  بيكومتر) ^{[ 113 ]} عند تكبيرات تتجاوز 50  مليون مرة. ^{[ 116 ]} وتتيح الدقة المحسّنة تصوير الذرات الأخف التي تُشتت الإلكترونات بكفاءة أقل، مثل ذرات الليثيوم في مواد بطاريات الليثيوم. ^{[ 117 ]} وقد جعلت القدرة على تحديد مواقع الذرات داخل المواد من المجهر الإلكتروني عالي الدقة (HRTEM) أداةً لا غنى عنها في أبحاث وتطوير تقنية النانو في العديد من المجالات، بما في ذلك التحفيز غير المتجانس وتطوير أجهزة أشباه الموصلات للإلكترونيات والفوتونيات. ^{[ 118 ]}