掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）是賓寧和羅雷爾在1981年發明的，這個發明讓他們獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。

STM利用了量子力學中的隧穿效應，可以分辨物質表面0.1nm（原子尺寸）的細節，縱向（材料表面高度變化）分辨率甚至可以達到0.01nm，由於這項技術的發明，科學家不但可以分辨材料表面原子尺寸的細節，甚至還可以操控單個原子。

STM示意圖，在樣品和探針之間施加一個電壓，雖然樣品和探針不直接接觸（或說存在勢壘），但由於量子隧穿效應，在樣品和探針之間還是會有電流通過。隧穿電流的大小和電壓，樣品表面的態密度及樣品和探針之間的距離有關。通過保持電流恆定或探針高度恆定，我們都可以通過計算機採集到的信息來生成樣品表面的形貌。

如果開個腦洞的話，我們獲得了一個一個裝配原子以獲得特定結構和功能的能力，這是非常了不起的技術進步。

STM的一個主要缺點是樣品必須具有導電性，如果沒有的話就不能產生隧穿電流，從而導致無法觀察。STM的發明激發了一系列基於類似技術方案的顯微術，原子力顯微鏡（Atomic forcr microscopy, AFM）就是其中之一，但AFM並不要求樣品必須導電。

與STM一樣，AFM也有微小的探針，這個小的探針在材料的表面掃描，由於它距離材料表面很近，所以能感受到材料表面對探針的微弱的力的作用，與探針相連的微小的懸臂在力的作用下會發生方位的改變，這會使照射在懸臂上的激光光束發生偏轉，計算機可以收集並處理這些偏轉的光信號，並合成材料表面的形貌。

原子力顯微鏡原理圖。

AFM比STM更便宜實用，目前在實驗室裡應用的很廣泛。它的分辨率最小可以達到幾埃（或幾個原子的大小），比STM要差一些，但要比光學顯微術強多了。通過使用不同的探針，原子力顯微鏡還可以探測壓電/鐵電，甚至鐵磁結構。

上：鈦酸鋇材料的表面形貌；下：相同材料的鐵電疇結構。（灰色標度條的長度是10微米）