掃描隧道顯微鏡是一種原子級分辨率的表面分析儀器，它是應用什麼原理制造的呢？
掃描隧道顯微鏡，即STM，是20世紀80年代初期由瑞士IBM實驗室發明的，與傳統的光學顯微鏡不同，STM是一種探測表面電子态的技術。
在STM中，針尖與樣品表面的距離非常接近，通常小于1納米，并且通過調節針尖和樣品之間的電勢差，可以在兩者之間形成隧道電流，根據隧道電流的大小和方向，可以測量表面的形貌和電子性質。
STM的應用範圍非常廣泛，它可以應用于表面化學反應、材料科學、納米技術等領域，在材料科學領域，STM可以用于研究材料的電子結構和表面實體化學性質，在納米技術領域，STM可以用于制備納米器件和研究納米材料的性質。
在20世紀60年代，科學家們開始研究在真空中的針尖與樣品表面之間的電子傳輸現象，他們注意到，當針尖非常接近樣品表面時，電子可以通過隧穿效應從針尖傳遞到樣品表面，這項發現為他們後來的STM研究提供了重要的理論基礎。
1978年，IBM實驗室建造了第一台掃描隧道顯微鏡，它能夠探測樣品表面的原子級拓撲結構，這個驚人的成就徹底颠覆了傳統光學顯微鏡的概念，使得科學家們能夠在原子尺度上觀察物質的結構和性質。
1981年，IBM在一次會議上向公衆展示了STM的工作原理和效果，引起了廣泛的關注，STM的發明激發了科學家們對納米尺度的研究，并推動了材料科學、實體學、化學、生物學等領域的發展。
在之後的幾年裡，STM被不斷改進和優化，随着STM技術的不斷發展，其他類型的掃描顯微鏡也相繼問世，如原子力顯微鏡和場發射掃描電子顯微鏡等。
掃描隧道顯微鏡是利用隧穿電流來探測樣品表面的拓撲結構和電子性質，其工作原理可以簡單地概括為将一極細的針尖掃過樣品表面，并測量針尖與樣品表面之間的電流。
具體來說，STM的針尖被帶電，可以被認為是一個微小的電子源，而樣品表面則是一個接收器，當針尖非常接近樣品表面時，它的電子可以通過隧穿效應，從針尖穿過真空層進入樣品表面，這種隧穿電流與針尖與樣品表面的距離、樣品表面的形貌和電子性質等因素有關。
STM中的電路測量隧穿電流并對其進行放大和處理，将得到的電信号轉換為針尖與樣品表面之間的距離，并将其記錄在計算機中。
通過掃描樣品表面，STM可以獲得樣品表面的拓撲圖像，并進一步測量樣品表面的電子性質。
STM的分辨率非常高，可以達到亞埃尺度，這是由于隧穿電流非常敏感于針尖與樣品表面之間的距離變化，甚至可以探測到單個原子的位置，是以，STM是目前唯一一種可以在原子尺度上觀察物質結構的顯微鏡。
需要注意的是，STM隻能用于導體或半導體表面的觀察，因為隻有在這些表面上，電子才能通過隧穿效應從針尖傳遞到樣品表面，同時，STM需要在真空條件下運作，以避免電子的散射和幹擾。
STM在材料科學中的應用主要集中在表面和界面結構的研究上，它可以用于觀察單個原子和分子的排列和結構，對材料表面和界面的電子結構和化學反應進行研究，進而深入了解材料的性質和行為。
STM可以被用來研究納米材料的性質和制備方法，它可以直接觀察和操縱納米尺度的結構和性質，以探究納米尺度下的實體和化學現象，可以利用STM來觀察納米線、納米管和納米晶體的結構和性質，以及納米電子元件的制備和表征。
STM在生物醫學研究中也有廣泛的應用，它可以用來研究所學生物大分子，如DNA和蛋白質的結構和性質，觀察細胞表面群組織表面的形态和結構，并探究生物大分子和細胞的電子性質，可以利用STM觀察生物大分子的拓撲結構和表面化學反應，以及探究細胞表面的分子結構和互相作用。
STM在計算機科學中的應用主要集中在量子計算機的研究上，STM可以被用來操縱單個原子和分子，進而實作量子計算機中的單個量子比特操作，利用STM來操縱單個自旋和控制自旋耦合，以實作量子比特之間的互相作用和量子計算操作。
