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掃描隧道顯微鏡所觀察的樣品須具有一定程度的導電性
掃描隧道顯微鏡的英文縮寫是STM。這是20世紀80年代初期出現(xiàn)的一種新型表面分析工具。其基本原理是基于量子力學的隧道效應和三維掃描。它是用一個極細的尖針，針尖頭部為單個原子去接近樣品表面，當針尖和樣品表面靠得很近，即小于1納米時，針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級10A的隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恒定，并使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可將表面形貌和表面電子態(tài)等有關表面信息記錄下來。掃描隧道顯微鏡具有很高的空間分辨率，橫向可達0.1納米，縱向可優(yōu)于0.01納米。
掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應。將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應。
隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離S減小0.1nm，隧道電流將增加一個數(shù)量級，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏,這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品.
對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。
掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對于半導體，觀測的效果就差于導體；對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層，則由于導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補掃描隧道顯微鏡(STM)這方面的不足。