走査型トンネル顕微鏡
STMの探針は電極を兼ねており、試料との間で電位差が印加されている。探針を試料に接近させていく(アプローチする)と、探針と試料が衝突する前に、トンネル効果により電流が流れる。この電流を測定しつつ、試料の表面をなぞるようにして探針を移動させることにより、試料表面における電子の状態密度を観測することができる。探針の制御には、圧電素子のアクチュエータを用いることにより、緻密な操作が可能である。
トンネル電流は、探針‐表面間の距離に対し指数関数的な減衰があるが、それだけでなく表面から染み出した電子の状態波動関数に敏感に影響される。従って、原子一個から数個分の距離でもトンネル電流の量は大きく変化する(0.1 nm = 1 Åの差でトンネル電流の値が一桁も変わり得る)。このことから、探針の最先端の原子一個が表面の電子状態(波動関数の染み出し)と測定表面の表面状態を最も感じていることとなり、これが原子レベルの観測を可能にしている。観測されるのは波動関数から染み出したトンネル電流であり、凹凸を直接観察している訳ではない。また、導電性が無い試料は観測することができない。
観測方法は、探針と表面の距離を一定に保ち電流を測定するものと、トンネル電流を一定に保ちながら探針と表面の距離を測定するものに大別される。また、条件により大気中や液体中での観測も可能である。 STMのトンネル電流が表面上とエネルギーをやり取りする非弾性な電流も存在し、表面に吸着した分子の振動などを励起したり、分子の結合を切断したりすることが可能なことが知られている。