扫描隧道显微术是IBM苏黎世实验室由G.宾尼希和H.罗雷尔于1981年发明的。两位发明者因此与E.鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。它是将原子尺度尖锐的探针（又称针尖）和被研究物质（通常为导体和半导体）作为两个电极，当这两个电极距离非常接近（＜1纳米）时，其间的距离变得非常薄，以至电子可以穿过势垒从一个电极进入另一个电极，这样两个导体及其间的薄绝缘层便构成了隧道结，此效应即所谓电子隧道效应。由于隧道电流的大小与电极间的有效间隙呈指数关系，因此由隧道电流的变化能很敏感地检测到距离的变化。扫描隧道显微镜结构如图所示，当针尖与样品之间的距离非常接近时，在外加电场V_b的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒从一个电极流向另一个电极，从而产生隧道电流i。隧道电流是两电极电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间的距离d及其平均功函数有关，即：

式中为加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数；和分别为针尖和样品的电子功函数；为常数，在真空条件下约等于1；为针尖与样品之间的距离。

扫描隧道显微镜实验原理图

扫描隧道显微镜的核心思想是基于隧道电流对距离高度的灵敏性原理，其分辨率取决于针尖末端的单个原子或原子团簇的大小。如图所示，采用一个尖细的金属针尖对电极表面进行扫描观察，针尖在外加电场的变化过程中发生微小的变化，做横向或纵向的移动，当针尖在表面横向扫描时，遇到不同高度的区域时，其隧道电流将会发生变化。众多的扫描隧道显微镜都采用了反馈电路，其作用是通过改变针尖与电极表面间的距离，使隧道电流保持在设定值，该种控制技术称为恒电流模式。另一种通过控制保持针尖与电极表面的距离恒定的方法，称为恒高度模式。

扫描隧道显微镜可以在大气、真空、溶液、惰性气体甚至反应性气体等各种环境中运行，其用途因此非常广泛，经常用于原子级空间分辨的表面结构观测，表面物理化学和生物体系研究，可用于制备纳米尺度的超微结构等。扫描隧道显微镜是一种无损分析方法，其横向分辨率已达到0.1纳米，垂直分辨率已达到0.01纳米。扫描隧道显微镜技术已经用于含电解液的电化学体系，如电化学扫描隧道显微镜可以应用于研究单晶电极的表面重构，金属电沉积的最初阶段研究，电化学纳米构筑等。基于扫描隧道显微镜的其他衍生技术也得到广泛应用，包括：原子力显微镜（AFM）、扫面开尔文显微镜（SKM）等。