自有人类文明以来，人们就一直为探索微观世界的奥秘而不懈的努力。1674年，荷兰人列文虎克发明了世界上第一台光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红细胞，从而开始了人类使用仪器来研究微观世界的纪元。光学显微镜的出现，开阔了人们的观察视野，但是由于受到光波波长的限制，光学显微镜的观察范围只能局限在细胞的水平上，分辨率大约10-6米至10-7米的水平上。人类能否看的更小，更精确一些呢？为了达到这个目的，科学家进行了几个世纪不懈的努力。1931年德国科学家恩斯特.鲁斯卡利用电子透镜可以使电子束聚焦的原理和技术，成功地发明了电子显微镜?电子显微镜一出现即展现了它的优势，电子显微镜的放大倍数提高到上万倍，分辨率达到了10-8米。在电子显微镜下，比细胞小的多的病毒也露出了原形。人们的视觉本领得到了进一步的延伸。 现代科学的发展为新技术、新发明提供了坚实的理论依据，而科学的进一步发展又期待着新型仪器的发明和更新。在人类进入了原子时代的今天，科学技术的发展呼唤着更加精确、分辨率更高的仪器的发明和面世。人们期盼着在探索微观世界的历程中再迈出新的一步。
正象绝大多数科学的新发现和新发明都具有其偶然性和必然性一样，当二十世纪七十年代末德裔物理学家葛.宾尼和他的导师海.罗雷尔在IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室进行超导实验时，他们并没有把自己的有关超导隧道效应的研究与新型显微镜的发明联系到一起。但是真空中超导隧道谱的研究已经为他们今后发明扫描隧道显微镜准备了坚实的理论和实验基础。一次偶然的机会，他们读到了物理学家罗伯特·杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章中有关驱动探针在样品表面扫描的方法使他们突发奇想：难道不能利用导体的隧道效应来探测物体表面并得到表面的形貌吗？以后的事实证明，这真是一个绝妙的想法。经过师生两人的不懈努力，1981年，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜终于诞生了。
扫描隧道显微镜的英文名称是 Scanning Tunneling Microscope， 简称为STM。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。图1_1显示的是硅表面重构的原子照片，照片上，硅原子在高温重构时组成了美丽的图案。
图1_1 硅111面7´ 7原子重构象
那么，为什么STM有如此高的分辨率？它又是如何工作的呢？为了弄清这个问题，我们先要从隧道效应讲起?在中学时我们就学过，如果在一段导体的两端加上电压，就会有电流流过这个导体。如果把这个导体弄断并分开呢？自然就没有电流了。这是你所熟悉的电路常识。但是如果我们想象把这断为两截的导体放的非常非常的近，比如说距离控制到小于1纳米吧，情况又会怎样呢？根据经典电学的常识，你脑子里也许会反应出，导体没有接上，应该没有电流吧？我劝你回答的不要太快。因为奥妙也许就在这里。
根据量子力学理论的计算和科学实验的证明，当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流。之所以称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个电流隧道一样。隧道电流有一种特殊的性质，既对两导体之间的距离非常敏感，如果把距离减少0.1纳米，隧道电流就会增大一个数量级。
图1_2 扫描隧道显微镜示意图
现在我们把两个导体如图1_2换成尖锐的金属探针和平坦的导电样品，在探针和样品之间加上电压。当我们移动探针逼近样品并在反馈电路的控制下使二者之间的距离保持在小于1纳米的范围时，根据前面描述的隧道效应现象，探针和样品之间产生了隧道电流。我们曾经说过，隧道电流对距离非常敏感。当移动探针在水平方向有规律的运动时，探针下面有原子的地方隧道电流就强，而无原子的地方电流就相对弱一些。把隧道电流的这个变化记录下来，再输入到计算机进行处理和显示，就可以得到样品表面原子级分辨率的图象。
