扫描探针显微镜家族的发展始于1981年STM的最初发明。Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在瑞士的IBM苏黎世研究实验室工作时开发了第一个工作STM。这台仪器后来为宾尼格和罗勒赢得了1986年的诺贝尔物理学奖。
量子围栏
下面的STM图像显示了Cu（111）表面局部态密度中驻波模式的方向。这些空间振荡是由二维电子气从铁原子和点缺陷散射引起的量子力学干涉图样。
STM的工作原理
扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是在表面上扫描非常锋利的金属丝尖端。通过使针尖非常接近表面，并向针尖或样品施加电压，我们可以在极小的范围内对表面成像，直至分解单个原子。
STM基于几个原则。一是隧道效应的量子力学效应。正是这种效果使我们能够“看到”表面。另一个原理是压电效应。正是这种效果，使我们能够精确地扫描与埃水平控制提示。最后，需要一个反馈回路，用于监测隧道电流，协调电流和尖端的定位。如下示意图所示，隧道从尖端到表面，尖端光栅采用压电定位，反馈回路保持电流设定值，以生成电子地形的3D图像：
隧道
隧道效应是一种量子力学效应。当电子穿过一个它们通常不能通过的势垒时，就会产生隧穿电流。在经典术语中，如果你没有足够的能量“越过”一个障碍，你就不会。然而，在量子力学的世界里，电子具有波的性质。这些波不会突然停在墙壁或障碍物处，而是迅速减弱。如果势垒足够薄，概率函数可以延伸到下一个区域，通过势垒!因为电子在垒的另一边的概率很小，如果有足够的电子，一些电子确实会穿过垒，出现在垒的另一边。当电子以这种方式穿过势垒时，它被称为隧穿。
量子力学告诉我们，电子既有波的性质，也有类粒子的性质。隧穿是波状性质的一种效应。
上面的图像告诉我们，当电子(波)碰到势垒时，波不会突然停止，而是以指数形式迅速衰减。对于一个厚的屏障，海浪是无法通过的。
下图显示了如果屏障很薄（大约一纳米）的情况。部分波确实通过，因此一些电子可能出现在势垒的另一侧。
由于通过势垒的概率函数急剧衰减，实际上通过势垒的电子数量很大程度上取决于势垒的厚度。通过势垒的电流随势垒厚度呈指数级下降。
将此描述扩展到STM：电子的起点是尖端或样品，具体取决于仪器的设置。屏障是间隙（空气、真空、液体），第二个区域是另一侧，即尖端或样品，具体取决于实验设置。通过监测通过间隙的电流，我们可以很好地控制尖端采样距离。
压电效应
压电效应是皮埃尔·居里在1880年发现的。这种效果是通过挤压某些晶体(如石英或钛酸钡)的边缘而产生的。结果是在两侧产生了相反的电荷。这种影响也可以被逆转;通过在压电晶体上施加电压，它就会拉长或压缩。
这些材料用于扫描隧道显微镜(STM)和大多数其他扫描探针技术的尖端扫描。扫描探针显微镜中使用的典型压电材料是PZT(钛酸锆铅)。
反馈回路
我们需要电子学来测量电流，扫描尖端，并将这些信息转换成一种可以用于STM成像的形式。反馈回路不断监测隧道电流，并调整尖端以保持恒定的隧道电流。这些调整由计算机记录下来，并在STM软件中以图像形式呈现。这样的设置称为恒流图象。
此外，对于非常平坦的表面，反馈回路可以关闭，只显示电流。这是一个恒定高度的图像。