1982年，国际商用机器公司（IBM）苏黎世实验室的宾尼（Binnig）和罗雷尔（Rohrer）及其同事们研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanning  Tunning Microscope, STM），如图1.1所示。宾尼和罗雷尔因此而获得1986年的诺贝尔物理学奖。它的出现，使人类第一次能够实时的观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际科技界公认为80年代十大科技成就之一。随后，STM仪器本身及其相关仪器获得了蓬勃发展，诞生了一系列在工作模式、组成模式及主要性能与STM相似的显微仪器，用来获取STM无法获取的各种信息。这些仪器目前统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）。这些仪器的共同特点是：采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面的一些性质。不同的扫描探针显微镜主要是针尖特性及相应针尖-样品相互作用的不同。这些仪器的发明，使人们跨入了原子和分子世界，成为人们认识微观世界的有力工具，在科技和工业方面已经、并且必将继续产生深刻的影响，在材料科学、微电子学、物理、化学、生物学等领域有着重大的意义和广阔的应用前景。

图1.1 宾尼（Binnig）和罗雷尔（Rohrer）以及他们研制成功的世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）

扫描探针显微镜（SPM）家族中目前有30多个成员。由于其技术还在不断发展之中，所以其成员将继续增加。按照工作原理，大致可以分为：与隧道效应有关的显微镜、扫描力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描热显微镜等几类。与隧道效应有关的显微镜是基于量子隧道效应工作的。STM是SPM家族的第一个成员，也是与隧道效应有关的显微镜的典型代表。扫描力显微镜（Scanning Force Microscope,SFM）通过检测探针与样品之间的相互作用力而成像，除了Binnig等人于1986年发明的、目前应用最多的原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）外，应用较广的主要还有：磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（LFM）、扫描电容显微镜（SCM）等。

与其它表面分析技术相比，SPM所具有的独特优点可归纳为以下五条：

① 原子级高分辨率。如STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。图1比较了SPM与其它显微技术的分辨率。

② 可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结研究。这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。

③ 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。

④ 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。

⑤ 配合一些新的衍生技术，扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等；力-距离曲线技术，可以得到样品表面的微观力学性能及样品与探针间的纳米尺度的相互作用力信息。