掃描隧道顯微鏡是利用探針與物質表面原子間的不同種類的局域相互作用，來測量表面原子結構和電子結構的顯微新技術，它的出現(xiàn)被科學界譽為是表面科學和表面現(xiàn)象分析技術的一次革命。掃描隧道顯微鏡通常包括精細定位掃描系統(tǒng)(包括探針和掃描頭)、前置放大器、反饋系統(tǒng)、粗步進裝置(步進器)、隔音系統(tǒng)(通常在非真空掃描隧道顯微鏡中使用)、減震系統(tǒng)和控制與成像系統(tǒng)。

掃描隧道顯微鏡探針與掃描頭

　　根據掃描隧道顯微鏡基本原理，要求探針和樣品具有導電能力，通常掃描隧道顯微鏡使用金屬鎢或者鉑銥合金作為探針。這兩種探針硬度較高，在高速掃描時針尖不易發(fā)生晃動導致成像質量下降。

　　目前主要有兩種制備探針的方法：機器剪切和電化學腐蝕。機器剪切是通過對探針原材料用機械設備進行切削，從而制成結構精細的探針。電化學腐蝕是通過把針尖原材料和金屬電極作為兩極，浸于強電解質溶液里，通過改變電流和電壓，從而對針尖原材料進行腐蝕，制成探針。

　　掃描隧道顯微鏡的掃描頭需要具有極高的定位精度，通常由壓電陶瓷材料制成。diyi臺掃描隧道顯微鏡中使用的是三腳架形壓電陶瓷掃描器。用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。

掃描隧道顯微鏡減震系統(tǒng)

　　由于掃描隧道顯微鏡工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關系，因此任何微小的震動都會對穩(wěn)定性產生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是Z主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與掃描隧道顯微鏡的固有頻率入手。

　　外界震動如建筑物的震動，通風管道、變壓器和馬達的震動、工作人員所引起的震動等，其頻率一般在100Hz之間，因此隔絕震動的方法主要是靠提高掃描隧道顯微鏡的固有頻率和使用震動阻尼系統(tǒng)。

　　掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板(或大理石)和橡膠墊疊加的方式，其作用主要是用來降低大幅度沖擊震動所產生的影響，其固有阻尼一般是臨界阻尼的十分之幾甚至是百分之幾。除此之外，掃描隧道顯微鏡中經常對探測部分采用彈簧懸吊的方式。金屬彈簧的彈性常數(shù)小，共振頻率較小(約為0.5Hz)，但其阻尼小，常常要附加其它減震措施。

　　在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡的減震要求。某些特殊情況，對掃描隧道顯微鏡性能要求較高時，還可以配合諸如磁性渦流阻尼等其它減震措施。測量時，探測部分(探針和樣品)通常罩在金屬罩內，金屬罩的作用主要是對外界的電磁擾動、空氣震動等干擾信號進行屏蔽，提高探測的準確性。

掃描隧道顯微鏡電子學控制系統(tǒng)

　　掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統(tǒng)，因此，電子學控制系統(tǒng)也是一個重要的部分。掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動，使探針逼近樣品，進入隧道區(qū)，之后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

　　掃描隧道顯微鏡電子反饋系統(tǒng)Z主要的是反饋功能，采用的是模擬反饋系統(tǒng)，即針尖與樣品之間的偏壓由計算機數(shù)模轉換通道給出，再通過X、Y、Z偏壓控制壓電陶瓷三個方向的伸縮，進而控制針尖的掃描。

　　掃描隧道顯微鏡電子學控制系統(tǒng)中的一些參數(shù)，如隧道電流、針尖偏壓的設定值，反饋速度的快慢等，都隨著不同樣品而異，因而在實際測量過程中，這些參量是可以調節(jié)的。一般在計算機軟件中可以設置和調節(jié)這些數(shù)值，也可以直接通過電子學控制機箱上的旋鈕進行調節(jié)。

掃描隧道顯微鏡在線掃描控制和離線數(shù)據處理軟件

　　在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統(tǒng)中，計算機軟件所起的作用主要分為在線掃描控制和離線數(shù)據分析兩部分。

　　在線掃描控制：

　　1、參數(shù)設置

　　在掃描隧道顯微鏡實驗中，計算機軟件主要實現(xiàn)掃描時的一些基本參數(shù)的設定、調節(jié)，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數(shù)據圖像等。計算機軟件將通過計算機接口實現(xiàn)與電子設備間的協(xié)調共同工作。

　　2、馬達控制

　　掃描隧道顯微鏡軟件控制馬達使針尖逼近樣品，首先要確保電動馬達控制器的紅色按鈕處于彈起狀態(tài)，否則探頭部分只受電子學控制系統(tǒng)控制，計算機軟件對馬達的控制不起作用。馬達控制軟件將控制電動馬達以一個微小的步長轉動，使針尖緩慢靠近樣品，直到進入隧道區(qū)為止。

　　掃描隧道顯微鏡馬達控制的操作方式為：“馬達控制”選擇“進”，點擊“連續(xù)”按鈕進行連續(xù)逼近，當檢測到的隧道電流達到一定數(shù)值后，計算機會進行警告提示，并自動停止逼近，此時單擊“單步”按鈕，直到“Z電壓”的數(shù)值接近零時停止逼近，完成馬達控制操作。

　　離線數(shù)據分析：

　　掃描隧道顯微鏡離線數(shù)據分析是指脫離掃描過程之后，針對保存下來的圖像數(shù)據的各種分析與處理工作。常用的圖象分析與處理功能有：平滑、濾波、傅立葉變換、圖像反轉、數(shù)據統(tǒng)計、三維生成等。