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掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表
面形貌的新型顯微裝置。
根據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱�。在金屬表面以外，電子云密度呈指�?shù)衰減，衰減長度約為1nm。用一個(gè)極細(xì)的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱為樣品)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品表面與針尖非常靠近(距離＜1nm)時(shí)，兩者的電子云略有重疊，如圖1所示。若在兩極間加上電壓U，在電場作用下，電子就會穿過兩個(gè)電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動(dòng)，從一極流向另一極，形成隧道電流 I 。隧道電流 I 的大小與針尖和樣品間的距離 s 以及樣品表面平均勢壘的高度
有關(guān)，其關(guān)系為
，式中A為常量。 如果s以
nm為單位，以eV為單位，則在真空條件下，A ≈1，
。
由此可見，隧道電流 I 對針尖與樣品表面之間的距離 s 極為敏感，如果 s 減小0.1nm，隧道電流就會增加一個(gè)數(shù)量級。當(dāng)針尖在樣品表面上方掃描時(shí)，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過其隧道電流顯示出來。借助于電子儀器和計(jì)算機(jī)，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。
一般說來，掃描隧道顯微鏡由掃描隧道顯微鏡主體、控制電路、控制計(jì)算機(jī)(測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件)三大部分組成。掃描隧道顯微鏡主體包括針尖的平面掃描機(jī)構(gòu)、樣品與針尖間距控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)與外界振動(dòng)的隔離裝置。
常用的STM針尖安放在一個(gè)可進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷支架上，如圖2所示，Lx、Ly、Lz分別控制針尖在x、y、z方向上的運(yùn)動(dòng)。在Lx、Ly上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流 I ，并以此反饋控制施加在Lz上的電壓Vz；再利用計(jì)算機(jī)的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來。
STM有兩種工作方式。一種稱為恒電流模式，如圖3所示。利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ，使其保持恒定。再通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個(gè)方向作二維運(yùn)動(dòng)。由于要控制隧道電流 I 不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動(dòng)，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，STM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛。
另一種工作模式是恒高度工作，如圖4所示。在對樣品進(jìn)行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離 s 將發(fā)生變化，隧道電流I的大小也隨著發(fā)生變化；通過計(jì)算機(jī)記錄隧道電流的變化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。 從STM的工作原理可以看到：STM工作的特點(diǎn)是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名"掃描隧道顯微鏡"的原因。
