Xét trên nguyên lý, ảnh của TEM vẫn được tạo theo các cơ chế quang học, nhưng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh. Điểm khác cơ bản của ảnh TEM so với ảnh quang học là độ tương phản khác so với ảnh trong kính hiển vi quang học và các loại kính hiển vi khác. Nếu như ảnh trong kính hiển vi quang học có độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tương phản của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử. Các chế độ tương phản trong TEM:

Ảnh trường sáng (a) và trường tối mẫu hợp kim FeSiBNbCu.

• Tương phản biên độ: Đem lại do hiệu ứng hấp thụ điện tử (do độ dày, do thành phần hóa học) của mẫu vật.
• Tương phản pha: Có nguồn gốc từ việc các điện tử bị tán xạ dưới các góc khác nhau.
• Tương phản nhiễu xạ: Liên quan đến việc các điện tử bị tán xạ theo các hướng khác nhau do tính chất của vật rắn tinh thể.

Bộ phận ghi nhận và quan sát ảnh

Khác với kính hiển vi quang học, TEM sử dụng chùm điện tử thay cho nguồn sáng khả kiến nên cách quan sát ghi nhận cũng khác. Để quan sát ảnh, các dụng cụ ghi nhận phải là các thiết bị chuyển đổi tín hiệu, hoạt động dựa trên nguyên lý ghi nhận sự tương tác của điện tử với chất rắn.

• Màn huỳnh quang và phim quang học

Là dụng cụ ghi nhận điện tử dựa trên nguyên lý phát quang của chất phủ trên bề mặt. Trên bề mặt của màn hình, người ta phủ một lớp vật liệu huỳnh quang. Khi điện tử va đập vào màn hình, vật liệu sẽ phát quang và ảnh được ghi nhận thông qua ánh sáng phát quang này. Cũng tương tự nguyên lý này, người ta có thể sử dụng phim ảnh để ghi lại ảnh và ảnh ban đầu được lưu dưới dạng phim âm bản và sẽ được tráng rửa sau khi sử dụng.

• CCD Camera (Charge-couple Device Camera)

Bộ khử loạn thị (astigmatism)

Ảnh hiển vi điện tử độ phân giải cao chụp lớp phân cách Si/SiO2, có thể thấy các lớp nguyên tử Si

Sự loạn thị ở TEM (astigmatism) có nguyên lý giống như điều kiện tương điểm trong quang học, tức là điều kiện để ảnh của một vật phẳng nằm trên một mặt phẳng. Trong TEM, khử loạn thị liên quan đến việc điều chỉnh cân bằng các chùm tia và các hệ thấu kính.

• Khử loạn thị ở hệ hội tụ (Condenser Astigmatism)

Là việc điều chỉnh hệ thấu kính hội tụ sao cho chùm tia có tính chất đối xứng trục quang học. Khi quan sát trên màn ảnh, chùm tia phải có hình tròn và hội tụ đồng tâm tại một điểu (khi mở rộng và thu hẹp). Nguyên lý của việc điều chỉnh này là điều chỉnh sự cân bằng của từ trường sinh ra trong các cuộn dây của thấu kính hội tụ.

• Khử loạn thị ở vật kính (Objective Astigmatism)

Là việc điều chỉnh vật kính sao cho mặt phẳng của mẫu vật song song với mặt phẳng quang học của vật kính, sao cho các chùm tia xuất phát từ các điểm trên cùng một mặt phẳng sẽ hội tụ tại một mặt phẳng song song với vật.

• Khử loạn thị ở kính nhiễu xạ (Diffraction Astigmatism)

Tương điểm nhiễu xạ là điều chỉnh cho trục quang học của chùm tia trùng với trục quang học của quang hệ. Khi đó, vân nhiễu xạ trung tâm trên mặt phẳng tiêu của vật kính sẽ phải đối xứng đồng tâm qua trục quang học, và sẽ nằm đúng trên mặt phẳng của khẩu độ vật kính.

Ảnh hưởng của loạn thị lên chất lượng ảnh ở điều kiện độ phóng đại thấp là rất nhỏ, nhưng khi tăng độ phóng đại đến cỡ lớn (cỡ trên 50 ngàn lần) thì ảnh hưởng của loạn thị trở nên rõ rệt. Khi đó, nếu quang hệ không thỏa mãn tính chất tương điểm sẽ có thể dẫn đến việc ảnh có thể bị bóp méo, không thể lấy nét hoặc độ phân giải rất kém. Đặc biệt ở chế độ ghi ảnh có độ phân giải cao, yêu cầu về sự khử loạn thị càng lớn.

Ảnh trường sáng, trường tối

Là chế độ ghi ảnh phổ thông của các TEM dựa trên nguyên lý ghi nhận các chùm tia bị lệch đi với các góc (nhỏ) khác nhau sau khi truyền qua mẫu vật.

• Ảnh trường sáng (Bright-field imaging): Là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật kính sẽ được đưa vào để hứng chùm tia truyền theo hướng thẳng góc. Như vậy, các vùng mẫu cho phép chùm tia truyền thẳng góc sẽ sáng và các vùng gây ra sự lệch tia sẽ bị tối. Ảnh trường sáng về mặt cơ bản có độ sáng lớn.
• Ảnh trường tối (Dark-field imaging): Là chế độ ghi ảnh mà chùm tia sẽ bị chiếu lệch góc sao cho khẩu độ vật kính sẽ hứng chùm tia bị lệch một góc nhỏ (việc này được thực hiện nhờ việc tạo phổ nhiễu xạ trước đó, mỗi vạch nhiễu xạ sẽ tương ứng với một góc lệch). Ảnh thu được sẽ là các đốm sáng trắng trên nền tối. Nền sáng tương ứng với các vùng mẫu có góc lệch được chọn, nền tối là từ các vùng khác. Ảnh trường tối rất nhạy với cấu trúc tinh thể và cho độ sắc nét từ các hạt tinh thể cao.

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao

Xử lý mẫu màng mỏng chụp cắt ngang bằng chùm ion hội tụ

Là một trong những tính năng mạnh của kính hiển vi điện tử truyền qua, cho phép quan sát ở độ phân giải cao từ các lớp tinh thể của chất rắn. Trong thuật ngữ khoa học, ảnh hiển vi điện tử độ phân giải cao thường được viết tắt là HRTEM (là chữ viết tắt High-Resolution Transmission Electron Microscopy). Chế độ HRTEM chỉ có thể thực hiện được khi:

- Kính hiển vi có khả năng thực hiện việc ghi ảnh ở độ phóng đại lớn.- Quang sai của hệ đủ nhỏ ở mức cho phép (liên quan đến độ đơn sắc của chùm tia điện tử và sự hoàn hảo của các hệ thấu kính.- Việc điều chỉnh tương điểm phải đạt mức tối ưu.- Độ dày của mẫu phải đủ mỏng (thường dưới 70 nm).

HRTEM là một công cụ mạnh để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các vật liệu rắn.

Xem bài chi tiết: Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao

Ảnh cấu trúc từ

Đối với các mẫu có từ tính, khi điện tử truyền qua sẽ bị lệch đi do tác dụng của lực Lorentz và việc ghi lại ảnh theo cơ chế này sẽ cung cấp các thông tin liên quan đến cấu trúc từ và cho phép nghiên cứu các tính chất từ vi mô của vật liệu. Chế độ ghi ảnh này đã phát triển thành hai kiểu:

- Kính hiển vi Lorentz.- Toàn ảnh điện tử

Ưu điểm của TEM là cho phép ghi ảnh với độ phân giải cao và có độ nhạy cao với sự thay đổi cấu trúc nên các chế độ ghi ảnh từ tính cũng là các công cụ mạnh trong các nghiên cứu về vi từ.