扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理是什么？

扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）是宾宁和罗雷尔在1981年发明的，这个发明让他们获得了1986年的诺贝尔物理学奖。

STM利用了量子力学中的隧穿效应，可以分辨物质表面0.1nm（原子尺寸）的细节，纵向（材料表面高度变化）分辨率甚至可以达到0.01nm，由于这项技术的发明，科学家不但可以分辨材料表面原子尺寸的细节，甚至还可以操控单个原子。

STM示意图，在样品和探针之间施加一个电压，虽然样品和探针不直接接触（或说存在势垒），但由于量子隧穿效应，在样品和探针之间还是会有电流通过。隧穿电流的大小和电压，样品表面的态密度及样品和探针之间的距离有关。通过保持电流恒定或探针高度恒定，我们都可以通过计算机采集到的信息来生成样品表面的形貌。

如果开个脑洞的话，我们获得了一个一个装配原子以获得特定结构和功能的能力，这是非常了不起的技术进步。

STM的一个主要缺点是样品必须具有导电性，如果没有的话就不能产生隧穿电流，从而导致无法观察。STM的发明激发了一系列基于类似技术方案的显微术，原子力显微镜（Atomic forcr microscopy, AFM）就是其中之一，但AFM并不要求样品必须导电。

与STM一样，AFM也有微小的探针，这个小的探针在材料的表面扫描，由于它距离材料表面很近，所以能感受到材料表面对探针的微弱的力的作用，与探针相连的微小的悬臂在力的作用下会发生方位的改变，这会使照射在悬臂上的激光光束发生偏转，计算机可以收集并处理这些偏转的光信号，并合成材料表面的形貌。

原子力显微镜原理图。

AFM比STM更便宜实用，目前在实验室里应用的很广泛。它的分辨率最小可以达到几埃（或几个原子的大小），比STM要差一些，但要比光学显微术强多了。通过使用不同的探针，原子力显微镜还可以探测压电/铁电，甚至铁磁结构。

上：钛酸钡材料的表面形貌；下：相同材料的铁电畴结构。（灰色标度条的长度是10微米）