当样品表面的原子种类单一且电子定域在原子核中心位置时，等电子态密度轮廓即对应样品表面的原子起伏。而当样品表面原子种类并非单一，如样品组分非单一，或样品表面吸附有原子分子时，由于不同原子（分子）具有不同的电子态密度，此时扫描隧道显微镜（STM）给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面的原子起伏，而是表面原子起伏与不同原子各自态密度组合后的综合效果。扫描隧道显微镜不能区分这两个因素，但是扫描隧道谱可以在原理上区分不同的原子，还能方便地给出表面电子结构、能隙、功函数以及表面吸附原子（分子）的振动模式等信息。

扫描隧道谱主要包括I-V谱、I-t谱以及I-z谱（其中，I为扫描隧道电流，V为施加的电压，t为扫描时间，z为竖直方向的距离），最常见的就是I-V谱。根据I-V谱，进一步地发展出微分电导谱（dI/dV，或称微分谱）和dI/dV成像技术（dI/dV图像），以及二次微分谱（d²I/d²V谱）和二次微分成像（d²I/d²V图像）（见图）。

dI/dV谱、dI/dV成像、d²I/d²V谱和d²I/d²V成像可以概称为扫描隧道显微术中的微分谱学技术。可以用扫描隧道显微镜测量dI/dV谱来研究表面吸附分子或量子点的电子结构，甚至体材料表面处准二维电子气的能级结构。同时利用dI/dV谱也可以得到电子局域态密度在不同能量下的分布，dI/dV图像则近似地反映了电子局域态密度在实空间的分布。

dI/dV微分电导谱（左图）和d²I/d²V二次微分谱（右图）

由于扫描隧道显微镜可以获得形貌相，因此可以获得与形貌逐点对应的电子态空间分布dI/dV，即微分电导成像。微分电导成像既可以在不同位置做正负偏压之间的全谱然后取不同能量下的微分电导值得到，也可以采集几个感兴趣的离散能量值下的微分电导值成图。用二次微分谱和d²I/d²V图像可以研究分子的振动态。

dI/dV谱和二次微分谱虽然获取的方式不同，但它们反映的都是样品的能级结构：dI/dV谱反映的是电子态的能级，二次微分谱则反映了振动态的能级。

dI/dV图像和d²I/d²V图像反映的都是一定能量状态在空间的分布：dI/dV图像反映了电子局域态密度在空间的分布，而d²I/d²V图像反映了分子非弹性隧穿通道在空间的分布。