扫描探针显微镜家族的发展始于1981年STM的最初发明。Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在瑞士IBM苏黎世研究实验室工作时开发了第一个可用的STM。这个仪器后来为宾尼格和罗勒赢得了1986年的诺贝尔物理学奖。
量子围栏
下面的STM图像显示了Cu(111)表面局部态密度驻波模式的方向。这些空间振荡是由Fe原子和点缺陷的二维电子气体散射引起的量子力学干涉模式。
STM是如何工作的
扫描隧道显微镜(STM)的工作原理是在表面上扫描非常锋利的金属丝尖端。通过使尖端非常接近表面，并通过对尖端或样品施加电压，我们可以在极小的范围内对表面进行成像，甚至可以分辨单个原子。
STM基于几个原则。一个是隧穿的量子力学效应。正是这种效应使我们能够“看到”表面。另一个原理是压电效应。正是这种效应使我们能够用埃级控制精确地扫描尖端。最后，需要一个反馈回路来监测隧道电流，并协调电流和尖端的位置。如下图所示，隧道从尖端到表面，尖端光栅与压电定位，反馈回路保持电流设定值以生成电子地形的3D图像:
隧道
隧道效应是一种量子力学效应。隧穿电流发生在电子通过传统上不应该通过的阻挡物时。用经典的术语来说，如果你没有足够的能量来“越过”一个障碍，你就无法做到。然而，在量子力学的世界里，电子具有类似波的性质。这些波不会在墙或障碍物处突然结束，而是迅速减弱。如果势垒足够薄，概率函数可以延伸到下一个区域，穿过势垒!由于电子在势垒另一侧的概率很小，如果有足够多的电子，确实会有一些电子穿过势垒，出现在势垒的另一侧。当一个电子以这种方式穿过势垒时，它被称为隧穿。
量子力学告诉我们，电子既具有波的性质，又具有粒子的性质。隧穿是一种波状性质的效应。
上图告诉我们，当一个电子(波)撞击一个势垒时，波不会突然结束，而是以指数方式迅速减弱。对于厚的屏障，波无法通过。
下面的图像显示了如果屏障很薄(大约一纳米)的情况。部分波确实通过了，因此一些电子可能出现在势垒的另一侧。
由于概率函数通过势垒的急剧衰减，实际穿过势垒的电子数量很大程度上取决于势垒的厚度。通过势垒的电流随势垒厚度呈指数下降。
将此描述扩展到STM:电子的起点是尖端或样品，这取决于仪器的设置。屏障是间隙(空气，真空，液体)，第二个区域是另一边，即尖端或样品，这取决于实验设置。通过监测通过间隙的电流，我们可以很好地控制尖端-样品距离。
压电效应
压电效应是皮埃尔·居里在1880年发现的。这种效果是通过挤压某些晶体(如石英或钛酸钡)的侧面而产生的。结果就是两边产生了相反的电荷。这种效果也可以逆转;通过在压电晶体上施加电压，它会拉长或压缩。
这些材料用于扫描隧道显微镜(STM)和大多数其他扫描探针技术中扫描尖端。扫描探针显微镜使用的典型压电材料是PZT(钛酸铅锆)。
反馈回路
需要电子设备来测量电流，扫描尖端，并将这些信息转换为我们可以用于STM成像的形式。反馈回路不断监测隧道电流，并对尖端进行调整，以保持恒定的隧道电流。这些调整被计算机记录下来，并在STM软件中以图像的形式呈现出来。这样的设置称为恒流像。
此外，对于非常平坦的表面，反馈回路可以关闭，只显示电流。这是一个等高图像。