自從Binnig及Rohrer首度解析出矽（111）表面複雜的7×7重構（註1）後，STM受到舉世矚目，從此被廣泛用來研究金屬與半導體表面的形態及原子結構。操作STM的環境限制很少，可以在空氣中、真空中、及水溶液中取得影像，樣品溫度可從-273℃至約900℃，樣品只要能導電，無需任何處理即可放入STM進行掃描取像。表面物理是STM第一個主要的應用。晶體表面有許多有趣的現象，構造也和內部不盡相同，這些差異是由於鍵結重組所產生，還是另有奚翹?要瞭解這些現象，得先充份瞭解表面的原子結構才行。
利用STM從事研究的領域很多，值得注意的有下列三個領域：(一)表面動態學的研究；(二)表面電子特性研究；(三)原子操縱術。
1.表面動態學（surface dynamics）的研究
我們都知道電影是由一連串的靜態照片所組成，但電影給予我們照片所缺乏的動態感，同樣地，連續的STM影像可以告訴我們原子、分子如何在表面運動、排列、堆積或進行化學反應等。當表面原子或分子從一定點運動到下一定點時，常常經過一些特別路徑，而路徑中往往有幾個暫停位置；從能量的觀點來說，可稱它們為運動過程中的中間態（intermediate state）。這些中間態對瞭解許多表面動態現象十分關鍵，但因其生命期很短，傳統分析技術很難偵測中間態的存在。然而，利用STM配合樣品溫度的調控，有些中間態確實可以捕捉得到。下面我們就以矽表面的初始氧化過程為例來說明：
由於矽的氧化是半導體產業技術中非常重要的步驟，但它的過程十分複雜，於是很多人研究初期氧分子如何吸附到矽表面，希望藉此了解後續的氧化過程。我們用 STM在不同溫度下，直接觀察矽（111）表面於曝上少量氧分子（O2）後的變化（參照圖4）。當溫度超過250°C時，這些氧分子就會在該表面上跳躍。從一較穩定位置跳躍至下一較穩定位置的過程中，它會經過兩個時間短暫的中間態（Ii* 及If*），這些中間態透露出氧分子於跳躍時，其與表面矽原子間鍵結的打斷和形成過程(6)。經過在不同溫度下許多的量測，就能得到氧分子的跳躍活化能及中間態的能量。另外，我們也觀察到氧分子在更高溫時與矽原子的反應過程，及兩個氧分子在矽表面反應的過程。這類觀察均有助於對矽表面的氧化程序有更基本的瞭解。
或許有人會問，這樣的實驗有什麼用呢？表面擴散是磊晶成長、很多表面化學反應、及其它複雜現象中的一基本機制，表面擴散的研究自然讓我們更明瞭這些複雜現象的產生及進行，而結構變化則跟磊晶成長息息相關。這些基本的表面動態實驗有一個很長遠的目標：目前有很多的理論學家正不斷改進計算方法或推出新的理論模型，再隨著電腦速度快速地提昇，更複雜、精確、有效的計算法會陸續誕生及演進。對這些理論計算，實驗數據可以提供重要的參數，而且一個理論計算是否精確可靠，需經過很多實驗數據的比對，才能讓科學界接受。精確而有效的計算方法的出現，可以幫我們模擬或預測新材料的結構、組成、及特性，如此可以節省許多不必要的嘗試，讓我們有效地尋找未來更複雜、精良的新材料。
2.表面電子特性研究
STM除了提供表面原子的排列外，也能用來觀測表面電子分佈狀態。由於穿隧電流在固定的距離時，是和針尖下樣品區域內的電子能態密度成正比。因此，利用上述的電流密度取像法，表面的電子結構可依不同的能級顯現出來；最有名的例子是Hamers(7)等人利用此法，將矽（111）─7x7重構表面的電子能態密度的空間分佈清楚地展示。另外，對於有些金屬表面的電子，因其有近乎自由電子的特性，有如一二維電子氣系統。當其受表面台階、缺陷或雜質散射時，便能產生波狀條紋，利用STM可直接觀察。進一步地限制這些表面電子的行為，就會發生量子區域效應（quantum size effect），Crommie等人即利用低溫STM，將此效應展現至幾近完美。他們的做法是在銅（111）表面上先鍍上一些鐵原子，然後，將一顆顆鐵原子移動排成一圓圈(8)及一橢圓(9)的量子圍籬（quantum corral），銅的價電子在鐵原子圍成的區域內便形成駐波。
其他還有許多和表面電子有關的現象，只是在解釋上涉及比較複雜的物理。比如說，在鉑（100）的重構表面上，我們發現表面電子有很強地形成電荷密度波（charge density wave）的傾向(10)。原因是當重構發生時，表層的原子密度遠高過下層，導致表層浮起來，使其近似於一個二維系統。造成金屬或半導體的表面重構或結構相變的原因很多，其中之一是由於表面電荷密度波的形成所驅動的。在低維系統中，因為電子和電子以及電子和晶格的作用能量，幾乎與電子的動能同等重要，這使得表面電荷密度波較易形成。圖5(a)顯示的是重構之表面起伏和費米電子密度波疊合的STM像；藉由傅立葉轉換，並經選擇性地傅立葉再轉換後，原STM影像即可清楚地分為表面重構圖像(c)及具六向對稱的電子密度波超結構(d)。
3.原子操縱術
藉由STM的針尖，除了能幫助我們瞭解物質表面的幾何構造、電子性質外，更有一些饒富趣味的應用，原子操縱術（atomic manipulation）便是其中之一。原子操縱術可說是STM的專長，在此之前，沒有其他技術具備此等微小、精密的操控能力。1990年美國IBM的一群研究人員，首度將一顆顆氙原子在鎳表面上拖曳，逐顆原子排成“IBM”三個英文字母(11)，相當引人注目，被當時世界各國媒體爭相報導。後來，同一個實驗室又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字，此結果也成為雜誌及國際研討會的封面圖案（註2）。
在穿隧時，STM的針尖與樣品表面的距離很近（約10埃），針尖跟表面的偏壓雖不大，但所產生的電場（偏壓／距離）可不容忽視。前述原子的搬動，就是故意將針尖更拉近表面，使氙原子受到針尖電場的吸引而略被拉離表面，此時即可將氙原子沿表面移至想要的位置，再將針縮回，氙原子則停在新的位置。此實驗需在極低溫（約液態氦的溫度，5K°=-268°C）進行，否則氙原子會有太大的熱動能而到處移動。
有一較容易的操縱原子辦法就是：在偏壓上施加一電脈衝（electrical pulse），於是針尖跟針尖底下的表面原子瞬間有一很大的電場出現，造成針尖上的原子被蒸發到表面上形成一原子團；或是表面的原子或原子團被拉出，在表面形成空位（vacancy）或更大的坑洞（hole），這些都可在事後用STM觀察到。有些表面結構不是很強固，或是表面溫度較高，也會伴隨一連串的表面結構變化。圖6就是利用場蒸發（field evaporation）的原理，外加電脈衝於金針，使針尖上的金原子團落在金表面上所形成的台灣島型圖(12)。
原子操縱術最主要的應用是奈米級或原子級結構的製造，在這方面一個直接的用途是記憶體的製造與讀取，前面所述IBM科學家展示搬移氙原子的能力，就可視為原子級記憶體的製造與讀取，每個有原子的位置相當於一個位元（bit）的1，沒有原子的位置相當於0。這樣的記憶體密度可是前所未有的，遠遠超過現今半導體及磁碟的記憶密度；而且STM可輕易地取得這些原子影像，相當於原子級位元資料的讀取，此讀取密度也是其它技術所無法比擬，但是這個搬移氙原子的實驗是在超高真空且極低溫下進行，所費不貲。用電脈波或輕撞表面則可在空氣中、室溫下輕易得到奈米級的原子團或坑洞，其密度亦遠高於現今微米級的工業技術。不過以STM來做記憶體的製造與讀取仍未被工業界採用，主要是因成本太高且速度又過慢。另外，有人想利用STM的技術於半導體的蝕刻，目前已展現出線的寬度（線徑）可低於現今電子束Ｘ光的蝕刻技術，不過也是成本及速度因素導致無法商業化。
奈米級結構可能具有傳統微米級或次微米級所沒有的物理特性，後兩者基本上可用古典物理來描述，但越小的結構，量子物理的現象就越明顯，因此奈米級結構極可能因量子效應而使我們發展出新一代的特殊材料或元件，STM除了是觀察、研究奈米級結構的利器，其原子操縱術也成功地展示奈米級結構製作的潛力。
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