扫描隧道显微术（scanning tunneling microscopy,STM）是IBM苏黎世实验室的BinnigG博士和RohrerH博士及其同事们发明的。1986年，Binnig和Rohrer与发明电子显微镜的RuskaE一道，获得诺贝尔物理学奖。

一、扫描隧道显微镜的基本原理

扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。它是将原子尺度尖锐的探针（又称针尖）和被研究物质（即试样，通常为导体或半导体）表面作为两个电极，当这两个电极距离非常接近（<1nm）时，其间的势垒变得非常薄，以至电子可以穿过势垒从一个电极进入另一个电极，这样两个导体及其间的薄绝缘层便构成了隧道结，此效应即所谓隧道效应。由于隧道电流的大小与电极间的有效间隙成指数关系，因此由隧道电流的变化能很敏感地检测到距离的变化。

扫描隧道显微镜有两种不同的工作模式：恒电流模式和恒高模式。在针尖扫描过程中，为了维持电流恒定，反馈系统必须随时调整探针高度，记录针尖上下运动的轨迹即可给出表面形貌。恒电流模式是STM常用的工作模式，它不要求试样表面呈原子水平平整。恒高模式是指保持针尖高度一定，通过测量电流的变化来反映表面上原子尺度的起伏，恒高模式仅适用于对起伏不大的表面进行成像。当试样表面起伏较大时，由于针尖离表面非常近，采用恒高模式扫描容易造成针尖与试样表面相撞，导致针尖与试样表面被破坏。STM的曲线和图像除了反映表面形貌和原子空间排列情况外，还可以反映出表面电子分布的变化，从而得到表面原子种类的信息。

二、仪器装置

STM针尖与试样之间的距离S通常小于1nm，是一种近场成像仪器。主要由xyz位移器、针尖和计算机接口等三部分组成。仪器结构的两个核心问题分别是获得单原子直径的尖端和维持隧道结间隙的稳定性。通过切削Pt/Ir丝或电解腐蚀W丝，并采用进一步精细处理（例如用针尖与试样之间加较大直流或交流电流以及预扫描10-60min)可以制备这种单原子针尖；后一问题的解决方法是采用严密的振动隔离系统、使用刚性和热胀系数相近的构件连接针尖或试样、保持恒温和绝热等，这些措施可以使针尖与表面之间距离变化不大于0.001nm。

三、应用

STM实验可以在大气、真空、溶液、惰性气体甚至反应性气体等各种环境中进行，工作温度可以从热力学零度到摄氏几百度。STM的用途非常广泛，可用于原子级空间分辨的表面结构观测，用于各种表面物理化学过程和生物体系研究；STM还是纳米结构加工的有力工具，可用于制备纳米尺度的超微结构；还可用于操纵原子和分子等。STM是一种无损分析方法，目前它的横向分辨率已达到0.1nm，垂直分辨率已达到0.01nm。

四、原子力显微镜

由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质研究，所以只能对导体和半导体试样进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体试样和有较厚氧化层的试样。为了弥补STM的不足，1986年Binnig,Quate和Gerber在斯坦福大学发明了第一台原子力显微镜（atomic force microscope,AFM)。AFM不但可以测量绝缘体表面形貌，达到原子分辨水平，还可以测量表面原子间力，测量表面的弹性、塑性、硬度、黏着力、摩擦力等性质。

AFM是利用一个对力敏感的探针探测针尖与试样之间的相互作用力来实现表面成像。将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端的针尖在试样表面依次扫描，当针尖尖端原子与试样表面间存在极微弱的作用力(10-8-10-6N）时，微悬臂会发生微小的弹性形变，测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与试样之间作用力的大小。针尖与试样之间的作用力与距离之间有强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和试样之间的作用力恒定，即保持微悬臂的变形量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动，记录针尖上下运动的轨迹即可得到表面形貌的信息。这种检测方式被称为“恒力”模式（constant force mode)，是使用最广泛的扫描方式。

AFM的图像也可以使用“恒高”模式（constant height mode)来获得，也就是在x，y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与试样之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。这种方式由于不使用反一馈回路，可以采用更高的扫描速率，通常在观察原子、分子的图像时用得比较多，但对于表面起伏较大的试样不适用。

也有人将“恒力”和“恒高”模式分别称为接触和非接触模式，此外还提出了第三种图像模式，即间歇接触—敲击模式。敲击模式更适合于在空气中对软试样进行检测，此时图像分辨率与接触模式相当，而所用在试样上的力较小，对试样、针尖或它们两者的损伤较小。但敲击模式扫描速率慢，仪器操作更复杂。