Depuis son invention en 1931 par Ernst Ruska (récompensé seulement en 1986 par le Prix Nobel de physique), le microscope électronique a révolutionné la recherche en permettant aux scientifiques d'accéder aux structures ultrafines de la matière, à une échelle inaccessible par la microscopie conventionnelle. La révolution continue d'ailleurs encore aujourd'hui, comme l'a démontré le Prix Nobel de chimie 2017 décerné au microscopiste suisse Jacques Dubochet.

Le microscope électronique se décline en trois formats: à transmission, à balayage, et à balayage par transmission; tous fonctionnent sous haut vide.

Le microscope électronique à transmission – TEM en anglais – envoie un faisceau relativement large d'électrons au travers d'un échantillon ultramince; l’image obtenue en dessous de l'échantillon renseigne sur la nature de ce dernier.

Comme son nom l'indique, le microscope électronique à balayage – SEM en anglais – balaye un fin faisceau d'électrons à la surface d'un échantillon; l'image des électrons réfléchis au-dessus de l'échantillon renseigne sur la structure tridimensionnelle de ce dernier.

Finalement, le microscope électronique à balayage par transmission – STEM en anglais – fonctionne comme le TEM (c'est l’image des électrons traversant l'échantillon ultramince qui est enregistrée), mais utilise comme en SEM un faisceau ultrafin d'électrons balayés sur l'échantillon.

L'avantage du STEM sur ses homologues TEM et SEM est qu'il atteint une résolution atomique de la matière étudiée, c'est-à-dire qu'il permet de visualiser des structures de dimensions inférieures au dix-millionième de millimètre; en comparaison, le microscope optique conventionnel ne "voit" plus rien en dessous du dix-millième de millimètre.

Le STEM peut être équipé de spectromètres qui analysent l'énergie résultant des interactions entre le faisceau d'électrons et la matière étudiée. Dans ce cas, il est possible d'obtenir, en plus de la structure ultrafine de la matière, sa composition chimique avec grande précision.

Le STEM est un instrument impliquant des contraintes drastiques: il doit fonctionner sous vide extrêmement poussé et stable, dans un environnement exempt de perturbations (vibrations, champs électromagnétiques). Néanmoins, il permet de révéler l'invisible de manière inégalée, tant en biologie qu'en chimie, en science des matériaux ou en science environnementale.