Mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rastertransmissionelektronenmikroskopie (STEM) wird die projizierte Struktur von dünnen, elektronentransparenten Proben abgebildet. Durch Kombination mit einem HAADF (high-angle annular dark-field) Detektor können mit der STEM chemisch sensitive Abbildungen erzeugt werden. Die bestmögliche Auflösung liegt im Bereich von 0.1 nm. Voraussetzung für TEM Untersuchungen ist, dass aus dem Ausgangsmaterial eine elektronentransparenter Probe präpariert werden kann. Die maximal durchstrahlbare Probendicke liegt in der Größenordnung von 1000 nm. Für hochauflösende TEM Abbildungen sind Probendicken unter 50 nm erforderlich. Zur Präparation materialwissenschaftlicher Proben sind alle notwendigen Einrichtungen einschließlich eines Focused-Ion-Beam (FIB) Systems vorhanden. Biologische Dünnschnitte können mit einem Ultramikrotom hergestellt werden. Im Beugungsmodus können lokale Beugungsbilder (Feinbereichsbeugung) aufgenommen werden, anhand derer Gitterebenenabstände und Kristallstrukturen ermittelt werden können.

Durch die Kombination eines Rasterelektronenmikroskops mit einer ionenoptischen Säule, mit der ein fokussierter Ga⁺-Ionenstrahl erzeugt wird, eröffnen sich eine Vielzahl von neuen Optionen für die Analyse der Mikrostruktur und chemischen Zusammensetzung. Inbesondere ermöglichen es die 30 keV Ga⁺-Ionen, Nanostrukturen zu  "fräsen".

Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) wird zur Untersuchung der Oberflächenstruktur von Proben in der Materialforschung, Nanotechnologie, Festkörperphysik, Chemie, Verfahrenstechnik, Biologie und Geologie eingesetzt. In den meisten Fällen ist keine aufwändige Probenpräparation erforderlich. Elektrisch isolierende Objekte müssen mit einem dünnen Kohlenstoff-, Gold- oder Platinfilm bedampft werden, um eine Aufladung der Probe im Mikroskop zu vermeiden. Biologische Objekte müssen oft vor der Untersuchung getrocknet werden.

Für unterschiedliche Experimente werden in den Elektronenmikroskopen verschiedene Probenhalter eingesetzt.