在纳米尺度内，小结构或者小尺寸材料的表征通常需要精密的表征工具。纳米材料和纳米结构的表征在很大程度上是块材的传统表征方法的基础上发展起来的。例如，X射线（XRD）已经广泛应用于纳米颗粒、纳米线和薄膜的结晶特征、晶体尺寸、晶体结构和晶格常数的测定。扫描电子显微镜（SEM）和TEM以及电子衍射，通常应用于纳米粒子的表征以获取材料中关于粒子尺寸、形状和缺陷等信息。

TEM能够以高空间分辨率从每一个单独的微观相中提供微观结构、晶体结构和微化学信息。因此TEM是一个非常强大的材料表征工具。TEM不仅有助于改善结构-性能相关性的研究，还能用于合金开发以提高其性能。

1924年，德布罗意得出电子射线的波的特性，这为电子显微镜的结构奠定了基础。TEM的起源可以追溯到磁螺管线圈聚焦高压CRT中印记射线的发展，主要是发现了高压涌浪（如由发光引起）对破坏传输线的影响。

1924~1926年，柏林工业大学的Dennis Gabour创新性地使用铁笼罩先圈聚焦阴极射线，从而改良 CRT，并因此获得他的博士学位。但是他没有意识到磁透镜效用，直到1926年，Hans Busch发表一篇关于短电磁先圈聚焦电子效应的文章。因此尽管Dennis Gabour首次证明了电子的聚焦效用，但是Busch却仍然被视为电子光学之父。

为了在荧光屏上观察从冷阴极发射的电子图像，Ruska和Knoll在第一透镜和最终板之间利用第二电磁线圈成功将图像放大17倍，这被视为TEM的第一个原型，表明传输电子的聚焦效应形成了放大的图像。随着电子学、电子光学和镜头制造的发展，TEM有了交大的改良。当前专用的高分辨TEM能达到亚埃空间分辨率，记录的图片可能放大倍率超过100万倍，利用场发射强电子源和像差校正透镜，已经实现分辨率小于0.1 nm。

此外计算能力提高可通过包含相近数目的原子的计算机模型预测材料性能，同样可用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察。

TEM被迅速改良，以满足当前战略应用先进材料的发展以及纳米技术和半导体技术的快速发展需求。

除了利用HRTEM进行晶格成像研究界面以外，缺陷和沉淀研究、单项的晶体结构也同样可以通过TEM中的选区和微衍射技术来获取。

会聚束电子衍射（CBED）能用于从晶体的局部区域获得关于对称行、晶格、应变、厚度等的信息。虽然对称信息能从XRD获得，但CBED的优势是利用TEM的相关技术，局部亚微米区域中单相的对称信息可以从他们的形态、界面一致性/缺陷结构和为化学获得。

为化学信息能够通过能量色散X射线分析（EDAX）或电子能量损失谱（EELS）获得。EELS是高灵敏度、高空间分辨率的微观分析工具，它也能用于鉴别低原子序数的元素。除了元素浓度，电子浓度、态密度、电子结构、格位对称、径向分布函数和试样厚度的信息也能通过高空间分辨率的EELS获得。

在TEM中，能量在100 keV以上（高达3 MeV）的电子束能通过薄式样（厚度小于200 nm）。在低于埃级时，TEM提供特殊的分辨率，高放大倍率达到1000000倍以上，它能作为显微镜和衍射仪使用。保持较小的电子非弹性散射时至关重要的，这就要求试样厚度在10 nm~1 μm之间。分辨率取决于厚度，HRTEM要求试样厚度在纳米范围内。

在TEM测试中，主要的挑战是制样，获得足够薄的样品并在正确的几何形状中包含所研究的缺陷，是一个艰巨的任务。光透过之后，TEM会产生花样和如下信息：

(1) 形态：组成式样的颗粒的尺寸、形状、排列，以及原子直径尺度上的他们之间的相互关系；

(2) 晶体学信息：式样中原子的排列和他们的有序度、直径在几个纳米区域的原子尺度的缺陷检测；

(3) 成分信息：直径在几个纳米区域内，组成试样的元素和化合物以及他们的相对比例。

制备足够薄的对电子透明的试样对纳米材料来说却比较容易。选区电子衍射（SAD）提供独特的确定单个纳米材料的晶体结构的能力，如纳米晶体和纳米棒、试样不同部位的晶体结构。在SAD中，聚光透镜被散焦以在试样中产生平行光照，而选择区域光圈被用于限制衍射体积。通过与XRD中相同的步骤，SAD图案经常被用于确定晶体材料的布拉菲点阵和晶格参数。尽管TEM没有辨别原子种类的能力，但是电子散射对目标元素极为灵敏，并由此形成化学组分分析各种光谱技术。

TEM也被用于确定纳米材料的熔点。通过电子束加热纳米晶体并使其融化，利用晶体衍射的小时辨别熔点，TEM可以用于开发纳米材料中的结构-性能相关性。

HRTEM是原子尺度成像的终极工具，在有利的情况下，它能显示晶体缺陷和其他特征的二维投影。当然，当原子位于顶部时，只有在低折射方向上的二维投影才是有意义的。