掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應。將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小於1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。這種現象即是隧道效應。

隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離 S 減小0.1nm，隧道電流將增加一個數量級，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恆定，並用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直於樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏,這種掃描方式可用於觀察表面形貌起伏較大的樣品.

對於起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恆掃描，通

過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態密度的分佈。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對訊號的影響，但一般不能用於觀察表面起伏大於1nm的樣品。

掃描隧道顯微鏡(STM) 所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對於半導體，觀測的效果就差於導體；對於絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層，則由於導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的解析度。賓尼等人1986年研製成功的AFM可以彌補掃描隧道顯微鏡(STM) 這方面的不足。