La microscopie électronique en transmission est basée sur l'interaction des électrons avec la matière qui entraîne une distribution non uniforme de l'intensité du faisceau sur la face de sortie de la lame mince. Cependant, cette non-uniformité ne permet pas, en général, d'obtenir une image avec un contraste suffisant. Pour avoir des images exploitables, il faut seulement sélectionner une partie du faisceau d'électrons à l'aide d'un diaphragme. Le contraste est donc créé par les manipulations de l'opérateur et dépend du processus opératoire.

Pour la compréhension des propriétés des matériaux, l'analyse chimique locale en microscopie électronique est de plus en plus utilisée. Dans ce dossier, sont décrites, de manière pratique, les deux techniques qui équipent les microscopes actuels, l'analyse des rayons X caractéristiques et la spectrométrie des pertes d'énergie. Dans la partie pertes d'énergie, les transitions de faible énergie, telles qu’excitations de plasmons, transitions interbandes ou effet Cerenkov ne sont pas traitées. Seule l'utilisation des seuils d'ionisation caractéristiques des atomes est abordée.

La microscopie électronique, basée sur la diffraction des électrons par la matière, permet d’accéder à des informations dans les deux espaces, le direct en mode image et l’indirect en mode diffraction. Ces techniques de diffraction sont nombreuses, le choix est fonction du problème posé. Cet article expose les techniques de diffraction en faisceau convergent classique et à grand angle. Pour ces deux approches, le faisceau incident est sous forme d’illumination conique, avec un angle d’ouverture plus ou moins grand et ne peut donc être représenté par un seul vecteur d’onde. Lorsque la région de l'échantillon illuminée se réduit à une faible surface, on parle de microdiffraction. Est abordée également la technique de précession, pour laquelle l’illumination se fait par un ensemble d’ondes planes dont les vecteurs d’onde en variant décrivent un cône.

La microscopie électronique à transmission (MET), en donnant de l’objet mince une image globale avec une résolution meilleure qu’un dixième de nanomètre, est une des techniques qui permettent l’étude des matériaux à l’échelle nanométrique. Elle est basée sur le fait que les électrons sont des particules chargées dont les trajectoires sont modifiables par l’action de champs magnétiques et électrostatiques. Après un descriptif de l’appareil, cet article expose les différentes méthodes de préparation des échantillons. Sont ensuite exposées les paramètres et les choix techniques existants lors de l’utilisation d’un MET, ainsi que les problèmes fréquemment rencontrés. Pour terminer, est introduite la méthode de diffraction en faisceau convergent.

L'exploration de la matière peut se faire à l'échelle atomique grâce à l'interaction entre les atomes et un rayonnement incident, de longueur d'onde comparable ou inférieure aux distances interatomiques. Ainsi, la diffraction des électrons obtenue en pratique avec un microscope électronique délivre des informations d’une grande richesse sur le cristal. Cette technique fait interagir des électrons de haute énergie avec le potentiel cristallin d'un spécimen mince. Après une description sommaire d’un microscope électronique, cet article aborde les techniques utilisées à ce jour dans ces interactions matière et électrons rapides. Un de leur intérêt majeur est le caractère très local de l'information. En effet, il est possible d'obtenir des tailles de sonde de l’ordre du nanomètre.

Une bonne part des informations sur la matière sont obtenues par l’intermédiaire des collisions particules-matière. Cet article traite plus particulièrement des interactions entre particules et réseaux cristallins. Les interactions avec des systèmes périodiques comme les réseaux cristallins montrent en particulier des conditions de réflexions discrètes dites de Bragg et de Laue, qui dépendent des cristaux étudiés. Les diagrammes de diffraction qui sont la conséquence de ces conditions permettent de déterminer en particulier l’emplacement des atomes. Un exemple est présenté sur un alliage aluminium-cuivre.

L’exploration de la matière se fait, notamment à l’échelle atomique, grâce à l’interaction entre les atomes et un rayonnement incident, qui peut être des photons X, des électrons lents, ou rapides, des neutrons, des rayonnements infrarouges, ultraviolets, hautes fréquences... Les techniques d’exploration présentées ici font essentiellement appel à la diffraction des électrons. Pour comprendre ces techniques, il faut avoir une première approche des interactions particules-atomes et quelques notions de cristallographie.