STM的主要原理是利用量子力學(xué)中的隧道貫穿效應(yīng),其核心部件是一個(gè)能在樣品表面進(jìn)行掃 描、與樣品之間保持一定偏壓、其直徑為原子尺度的探針.在通常的低電壓下,分離的針尖與樣品之間（相當(dāng)于兩個(gè)電極）具有很大的阻抗,阻止電流通過,稱為勢(shì) 疊.當(dāng)針尖與樣品非?？拷鼤r(shí),其間的勢(shì)疊變得很薄,電子云相互重迭,在針尖與樣品之間施加一電壓,電子就可以通過隧道效應(yīng)由針尖轉(zhuǎn)移到樣品或從樣品轉(zhuǎn)移到 針尖,形成隧道電流.通過記錄隧道電流的變化就可以獲得樣品表面的微觀信息.STM要求樣品表面與針尖具有導(dǎo)電性.
STM有兩種成像模式：恒流模式和恒高模式.在恒流模式中,STM通過反饋系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)針尖與樣品表面每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上的距離,使隧道電流保持一個(gè)不變的恒 值,測(cè)定掃描頭上針尖與樣品表面的高度變化就可獲得樣品表面形貌等微觀信息.在恒高模式中,針尖始終保持在樣品上方一個(gè)恒定的高度上,隧道電流隨著樣品表 面形貌等微觀特性的改變而變化,通過檢測(cè)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的電流變化來獲得樣品表面微觀信息.在恒高模式中,掃描頭不需要上下移動(dòng),從而加快了掃描速度.