扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1 nm），在外加电的作用下，电子会穿过两个电极之间的势流向另一电极．隧道电流I 是针尖的电子波函数与样品的电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S 和平均功函数Φ有关
式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平功函数Φ≈ (Φ1+Φ2) /2，Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1．隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂—铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流．
由（2）式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级．因此，据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x- y 方向进行扫描，就可以直接得到样品的表面三维形貌图。
2．STM 的结构和工作模式
STM 仪器由具有减振系统的STM 头部、电子学控制系统和包括A/D 多功能卡的计算机组成（图2）．头部的主要部件是用压电陶瓷做成的微位移扫描器，在x- y 方向扫描电压的作用下，扫描器驱动探针在导电样品表面附近作x- y 方向的扫描运动．与此同
时，由差动放大器来检测探针与样品间的隧道电流，并把它转换成电压，反馈到扫描器，作为探针z 方向的部分驱动电压，以控制探针作扫描运动时离样品表面的高度．STM 常用的工作模式主要有以下两种：
（1）恒流模式
如图3（a），利用压电陶瓷控制针尖在样品表面x-y 方向扫描，而z 方向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当样品表面凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变，当样品表面凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，则探针在直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏．将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹记录并显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像．这种工作模式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z 方向的驱动电压值推算表面起伏高度的数值．恒流模式是一种常用的工作模式，在这种工作模式中，要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率．
（2）恒高模式
如图3（b），针尖的x-y 方向仍起着扫描的作用，而z 方向则保持绝对高度不变，由于针尖与样品表面的局高度会随时发生变化，因而隧道电流的大小也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布．恒高模式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，实现表面形貌的实时显示，但这种模式要求样品表面相当平，样品表面的起伏一般不大于1 nm，否则探针容易与样品相撞．
