扫描探针显微镜家族的发展始于1981年最初发明的STM。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工作的STM。这个仪器后来为Binnig和Rohrer赢得了1986年的诺贝尔物理学奖。
量子控制
下面的STM图像显示了Cu(111)表面局域态密度中驻波模式的方向。这些空间振荡是由二维电子气体离铁原子和点缺陷散射引起的量子力学干涉图样。
STM是如何工作的
扫描隧道显微镜(STM)的工作原理是扫描表面上非常锋利的金属丝尖端。通过使尖端非常接近表面，并在尖端或样品上施加电压，我们可以在极小的尺度上成像表面——甚至分解单个原子。
STM基于几个原则。一个是隧道效应的量子力学效应。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。正是这一效应使我们能够精确地扫描尖端与埃级控制。最后，需要一个反馈回路，监控隧道电流并协调电流和尖端的位置。如图所示，隧道从尖端到表面，尖端光栅采用压电定位，反馈环路保持电流设定值，以生成电子形貌的3D图像:
隧道
隧道效应是一种量子力学效应。当电子通过一个通常不能通过的势垒时，就会产生隧穿电流。用经典的术语来说，如果你没有足够的能量“越过”障碍，你就不会。然而，在量子力学的世界里，电子具有波动性质。这些波浪不会在墙壁或障碍物处突然结束，而是迅速减弱。如果势垒足够薄，概率函数可以通过势垒延伸到下一个区域！由于电子位于势垒另一侧的概率很小，如果有足够的电子，一些电子确实会穿过势垒另一侧并出现。当一个电子以这种方式通过势垒时，它被称为隧穿。
量子力学告诉我们，电子既有波的性质，也有粒子的性质。隧道效应是一种波动性效应。
上图显示，当一个电子（波）撞击一个势垒时，波不会突然终止，而是以指数形式迅速衰减。对于厚的屏障，波浪无法通过。
下面的图片显示了如果屏障很薄(大约一纳米)的情况。部分波确实能通过，因此一些电子可能会出现在势垒的另一边。
由于几率函数通过势垒的急剧衰减，实际隧穿的电子数非常依赖于势垒的厚度。通过势垒的电流随势垒厚度呈指数下降。
将这个描述扩展到STM:电子的起始点是尖端或样品，这取决于仪器的设置。屏障是间隙(空气、真空、液体)，第二个区域是另一侧，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针尖-样品的距离。
压电效应
压电效应是皮埃尔·居里在1880年发现的。这种效应是通过挤压某些晶体的侧面产生的，例如石英或钛酸钡。其结果是在两侧产生相反的电荷。这种效应也可以逆转；通过在压电晶体上施加电压，压电晶体将伸长或压缩。
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。扫描探针显微镜中使用的典型压电材料是PZT（钛酸锆铅）。
反馈回路
需要电子设备来测量电流，扫描尖端，并将这些信息转换成我们可以用于STM成像的形式。反馈回路持续监控隧道电流，并对尖端进行调整，以保持恒定的隧道电流。这些调整由计算机记录，并在STM软件中显示为图像。这种设置称为恒流图像。
此外，对于非常平坦的表面，可以关闭反馈回路，只显示电流。这是一个恒定高度的图像。