1.儀器操作原理
介紹STM的原理之前，我們必需先知道什麼是「穿隧效應」（tunneling effect）。電子穿隧現象乃量子物理的重要內涵之一；在古典力學中，一個處於位能較低的粒子根本不可能躍過能量障礙到達另一邊（如圖1A），除非粒子的動能超過V0。但以量子物理的觀點來看，卻有此可能性。所謂的「穿隧效應」就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障礙。當然，穿隧的機率和距離有關；距離愈近，穿隧的機率愈大。當兩個電極相距在幾個原子大小的範圍時，電子已能從一極穿隧到另一極。穿隧的機率是和兩極的間距成指數反比的關係。對一般金屬而言（功函數約4-5eV），1埃的間距差可導致穿隧電流10倍的增減（如圖1B）。所以，藉偵測穿隧電流，可很容易地得知兩電極間距的變化達0.1埃的程度。至於在水平方向的解析度，則受限於針尖的大小，一般約為1～2埃。
掃描穿隧顯微術即利用這種電子穿隧特性而發展出來的。如果上述兩電極中的一極為金屬探針（一般為鎢針），另一極為導電樣品，當它們相距很近，並在其間加上微小電壓，則探針所在的位置便有穿隧電流產生。藉探針在樣品表面上來回掃描，並記錄在每一取像點（pixel）上的高度值，便能構成一幅二維圖像（圖2）。該圖像之解析度取決於探針結構，如果探針尖端只含幾顆原子，則表面原子排列情形便能獲知。因此，掃描穿隧顯微鏡是研究導電樣品表面原子性質的有利工具。 掃描穿隧顯微鏡的取像方式，一般可分為下列三種：
(1)定電流取像法（constant current mode）
該法乃是以設定的穿隧電流（～1nA）為回饋訊號。由於探針與樣品表面的間距和穿隧電流有十分靈敏的關係，設定穿隧電流值即鎖定探針和樣品表面之間距。當探針在樣品表面掃描時，探針必須隨表面之起伏調整其高度（即z值）；因此，以探針的高度變化來呈像，就反映出樣品表面的形貌。利用高速電腦即時讀取回饋電路中的高度值,將其處理成灰階影像並顯示於電腦螢幕上,此即一般所看到的STM影像,通常越亮代表高度越高,較暗則表示較低。為了視覺的美觀,STM影像常處理成彩色照片,本文中影像的色彩都是軟體外加上去的。另外,由於x、y、z三軸的值都可取得,因此不難以軟體處理成三度空間的形態圖。該法的好處是可容忍較大的表面高低變化；缺點是由於必須以回饋信號來調制，掃描速度較慢，容易受低頻雜訊的干擾。
(2)定高度取像法（constant height mode）
該法乃是直接以穿隧電流值來呈像。當探針以設定的高度掃描樣品表面時，由於表面的高低變化，導致探針和樣品表面的間距時大時小，穿隧電流值也隨之改變。該法的好處是可做快速掃描以捕捉一些表面動態；缺點是掃描範圍內的樣品表面起伏不能太大，否則極容易損壞探針。
嚴格說來，掃描穿隧顯微鏡取得的像，除了反應樣品表面的幾何形貌，也包含表面的局部電子特性。這是因為穿隧電流的大小除了和探針及樣品的間距有關，也和探針所在位置的表面電子密度有關。為探討表面電子的空間分布，首先必須排除電流信號中的幾何因子，然後再就信號做能量解析，如此便能得到某一能級的表面電子的空間密度分布 (local density of state, LDOS)。以下即就目前在電子密度呈像上最常用的方法做簡單介紹。
(3)電流密度取像法（current imaging tunneling spectroscopy, CITS）
該法乃結合了上述兩種方法，並在其中引進偏壓調變為取像變數，作法是以定電流模式為架構，讓探針在回饋系統的控制下，在掃描過程中保持一定的探針/樣品間距。然後在每一點，瞬時切斷回饋作用，並利用這段期間，將偏壓在預定的範圍內調變，同時記錄不同偏壓所產生之穿隧電流。一般偏壓的調變均已數位化，將某一偏壓在掃描範圍內各點的電流組合起來，即構成一幅二維電流密度分布圖。以此法取像，因回饋系統必須不斷地開關，比較費時（約需幾分鐘），且做一次，其實等於儲存了上百個影像的資訊，記憶容量需求很大，不過，以現代的電腦容量，這已不是問題。
2.儀器架構
STM 能精準地控制探針的上下及左右掃描，應歸功於一種特殊材料──壓電陶瓷（piezoelectric ceramic），壓電陶瓷是一種會隨著電壓變化而改變長度（或厚度）的材質，它可用來建構STM的scanner，分別控制x、y、z三個互相垂直的軸，而金屬針就位於z軸上。進行掃描時，施加電壓在x、y軸，可驅動金屬針在樣品表面連續來回掃描；同時施加電壓於z軸，使之隨著回饋電路調整d──當穿隧電流高於設定值，z軸後縮使穿隧電流減少；若低於設定值則伸長。
掃描穿隧顯微鏡的主要組成包括：掃描頭、探針、樣品台、步進器、避震裝置、電子及控制系統，如圖3所示。其實,早在1970年代初期美國的Young等人便製作出類似此架構的儀器，只是他們使用的偏壓高達數千伏特，針尖跟樣品的距離約100埃，此儀器的垂直解析度（即z軸方向）約為30埃，水平解析度（x及y軸方向）約為4000埃(5)。Binnig及 Rohrer等人之所以能取得原子解析度，在於他們將整個系統做了很多的改進：他們有效隔離了振動；在超高真空（1×10-9torr或更低壓，1大氣壓=760 torr）中準備出非常乾淨的表面；發展出帶針至樣品表面的方法；掃描時將針跟樣品的距離拉至約10埃（遠低於Young的100埃），及使用很低的偏壓；這些改進終於使他們得到原子影像。在我們的周遭環境中，振動主要來自建築物（或地面）及聲波。在穿隧時，針需與樣品表面保持一微小固定的距離，這些振動如未有效地隔離，將嚴重地影響影像的讀取。除此之外，如何將針帶至穿隧的距離而不撞針也是極關鍵的；至於為什麼要在超高真空中操作，是因為較容易處理出乾淨的表面，空氣中的氧及水分子等極容易吸附到樣品表面，甚至引起化學反應而破壞平整、規律有序的表面原子結構，大部分漂亮的原子影像取自於超高真空系統中；在空氣中只有少數具層狀結構（如石墨）的材料可獲取原子影像。除上述之外，如何有效地隔離電磁雜訊對儀器的解析度也有很大的影響。關於這些問題的解決及對STM更廣泛詳細的介紹，請參考文獻2及STM相關書籍。
以下僅就各組成分（參考圖 3）別簡述如下：
(1) 掃描頭（scanner）：壓電材料（piezoelectric materials）不僅結構堅硬，用普通電壓源即可提供小於1埃的精確度，所以幾乎所有的掃描頭均以此材料製成。經過這些年的發展，目前最普遍的模式是以壓電陶瓷管鍍上金屬，然後在外壁均分為四極做平行於樣品表面（x和y方向）的掃描；內壁相對於外壁做探針及樣品間距（z方向）的調變。掃描的範圍是由陶瓷管的長度、管壁的厚度、管徑及所加電壓的大小來決定，一般都可達幾個mm。掃描頭前端可接探針或樣品。
(2)探針（tip）：一般都是用0.5mm的鎢（W）絲，以電化學的方法，在KOH或NaOH溶液中腐蝕；或將0.25mm的鉑銥合金（PtIr）絲拉剪而成，針尖的直徑大都在幾百個埃的範圍。具高解析度的探針常可在掃描過程中以瞬時強電場來促使針尖結構的改變而獲得。
(3)樣品台（sample stage）：由於樣品經常更換，並且尺寸不一致。因此，樣品台的設計必須考慮到牢靠、方便及對樣品的包容性；另外，若是與其它系統結合，也需考慮其間的轉換機制。
(4) 步進器（stepper）：由於穿隧電流是在原子尺寸的間距下才能發生，欲將探針和樣品帶到這樣的距離必須具有步距約在1000埃的功能，並且步進頻率必須能夠調節到1kHz，以免太耗時。依驅動的方式可分為齒輪式（stepper motor）、尺蠖（inchworm）式及滑動（slip-stick）式等。
(5)避震裝置（vibration isolation）：為了維持穩定的電子穿隧間距，不同頻率的震動都必須儘量屏蔽。常用的避震材料為金屬彈簧或橡皮墊（viton），並配合阻滯裝置來使用。週全的設計可使系統的共振頻率降至2-3Hz，已可屏蔽大部分的環境震動干擾。對於極低頻的震動，唯有靠探針及樣品間堅固的結構組合來克服。
(6) 前置放大器（pre-amplifier）：由於作為回饋信號之穿隧電流很小（約1nA），必須先將其放大。一個簡單的低雜訊操作型放大器（operational amplifier）加上精準電阻便能擔負這部分的工作。在此階段，對雜訊屏蔽的要求很高，儘量縮短信號線並以正確的接地保護，通常即可達到目的。
(7) 電子及控制系統（electronics and controller）：該部分含回饋電路及電腦介面。回饋電路的主要目的是以差分放大器（differential amplifier）來驅動接在掃描頭上之z軸電壓源，用來調節在掃描過程中的電子穿隧間距。電腦介面主要是以多個數位／類比（D/A）及類比／數位（A /D）轉換器，連通電腦以控制操作的流程。目前，因為電腦功能的增強，控制系統有愈趨數位化的傾向，使儀器的操作更簡單，後續的影像儲存及處理更方便。
(8)電腦（computer）：電腦的功能在執行控制、協調、運算、及即時顯像等；其後續之功能則在影像儲存、分析、及處理方面。
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