Die Elektronenmikroskopie ist ein bildgebendes Analyseverfahren mit erreichbaren Vergrößerungen jenseits der Lichtmikroskopie. Man unterscheidet die Verfahren danach, ob die Probe in Transmission oder Reflexion untersucht wird und ob dabei der Elektronenstrahl gerastert oder ungerastert die Probenoberfläche trifft.

Die weit verbreitete Rasterelektronenmikroskopie nutzt von der Probe im oberflächennahen Bereich reflektierte Elektronen und rastert bei einer Messung den Probenbereich ab. Die maximal erreichbare Auflösung liegt typischerweise zwischen 1 nm und 10 nm. Der zur Untersuchung notwendige Elektronenstrahl kann auf unterschiedliche Art erzeugt werden, z.B. durch Glühemission oder durch sogenannten Schottky-Emitter. Die Elektronen werden anschließend in einer Elektronenröhre bei Beschleunigungsspannungen von bis zu mehreren 10 kV beschleunigt und treffen auf die Probe und dringen dort bis etwa 1 µm Tiefe ein. Durch verschiedene Wechselwirkungsmechanismen der Elektronen mit dem Probenmaterial kommt es unter anderem zur Bildung von Rückstreuelektronen, Sekundärelektronen und Röntgenquanten. Je nach Ausbaustufe des Gerätes gibt es für jede Quantenart einen oder mehrere Detektoren, die durch ihr jeweiliges spezifisches Wirkprinzip für verschiedene Auswertungen geeignet sind. Die Untersuchungen werden in einer Vakuumkammer durchgeführt.

Spezielle Detektoren ermöglichen die Analyse von Proben über die rein bildliche Darstellung hinaus. Ein solches Analytisches Verfahren ist z.B. die „Energiedispersive Röntgenspektroskopie – EDS“ (engl.: Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy – EDX). Durch die Freisetzung materialspezifischer Röntgenquanten bei Bestrahlung der Probenoberfläche mit energiereichen Elektronen und die Auswertung des entstehenden Röntgenspektrums können Rückschlüsse auf die vorhandenen Atome im Fokusbereich des Elektronenstrahls gezogen werden.

Mit der „Elektronenrückstreubeugung“ (engl.: Electron Backscatter Diffraction – EBSD) kann die Kristallstruktur an der Probenfläche anhand von Beugungsbildern sichtbar gemacht werden. Durch entsprechende Auswertesoftware sind Aussagen zur Kristallsymmetrie, zur Orientierung, zur Lage und Abgrenzung einzelner Körner u.v.m. möglich.