掃描隧道顯微鏡利用了量子力學里的隧道效應，使探針的針尖不與樣品接觸，這兩者之間有一個勢壘，因為有隧道的效應，電子會有一定幾率穿過勢壘而形成電流。探針和樣品兩者間的距離遠，勢壘就會大，隧道的電流就會小，電流的大小轉化成空間的尺度，然后通過電腦分析就能夠得到了樣品表面的具體圖像。掃描探針它一般使用的是直徑＜1nm的細金屬絲，被觀察的試樣應該具備一定的導電性才能夠形成隧道電流。為了可以達到原子級的分辨率必須要保證探針的針尖在對樣品表面進行掃描的時候，具有較高的精度以及相對的穩(wěn)定性，隔絕外界的振動以及電子噪音。掃描隧道顯微鏡自身的共振頻率，熱漂移，用來掃描控制器件的壓電陶瓷材料的滯后以及蠕變技術距的表達與處理。
根據(jù)量子力學的原理，在原子，亞原子的尺度下，粒子存在著波動性以及不確定性，被束縛在勢阱中的粒子有可能會越過高于自身的能量的勢壘，這樣的現(xiàn)象稱之為隧道效應。金屬中的自由電子就是被束縛在勢阱中的粒子，在外界不提供能量或者是提供的能量不足以使電子能量超過材料的功函數(shù)（逸出功）的時候仍然會有少量的電子跑出來，在金屬的表面附近形成大約有1nm厚的電子云，這也就給掃描隧道顯微鏡的隧道電流提供了基本的條件。當樣品的表面與探針的針尖兩者間的距離＜1nm的時候，兩者的電子云就會有重疊，這個時候如果在探針與樣品之間加上一定的電壓，就可以形成隧道電流，隧道電流的強度和探針針尖與樣品間的距離以及樣品的表面的勢壘高度都有關聯(lián)。當在探針的針尖與樣品之間加上偏置電壓的時候，電子能夠“隧穿”過間隙從而形成隧道電流，隧道電流的放大器把微弱的電流信號放大并且輸送至反饋的電路中，反饋電路把電流信號轉化成STM的圖像信號，然后利用計算機在屏幕上顯示出來，同時根據(jù)隧道電流的大小而控制壓電掃描器的運動。
掃描隧道顯微鏡的出現(xiàn)使得人們可以實時地觀察到單個原子在物質表面的排列狀態(tài)以及與表面電子行為有關的物理，化學性質。在表面科學，材料科學和生命科學等領域的研究中有著廣闊的應用前景。
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