扫描隧道显微术及其应用
隧道扫描显微镜
隧道扫描显微镜
隧道扫描显微镜是一种先进的显微镜技术，它能够实现原子级别的分辨率，为科学研究和材料表征提供了强大的工具。
本文将介绍隧道扫描显微镜的原理、应用以及未来发展趋势。
原理
隧道扫描显微镜利用量子力学中的隧道效应实现高分辨率成像。
其基本原理是通过一个非常尖锐的探针（通常是金属尖端）在样品表面扫描，探测器测量探针和样品之间的隧道电流，并根据这些数据生成图像。
由于隧道电流高度依赖于探针和样品之间的距离，因此隧道扫描显微镜可以实现原子级别的分辨率。
应用
隧道扫描显微镜在各种领域都有广泛的应用。
在材料科学中，它可以用来研究表面形貌、原子结构、电荷分布等；在生命科学中，可以用来观察生物分子、细胞结构等；在纳米技术领域，可以用来制备和表征纳米材料；在半导体工业中，可以用来检测芯片上的缺陷和杂质等。
隧道扫描显微镜的高分辨率、高灵敏度和非破坏性成像特性使其成为当今科学研究中不可或缺的工具。
未来发展趋势
随着科学技术的不断发展，隧道扫描显微镜也在不断演进。
未来隧道扫描显微镜可能会实现更高的分辨率，更快的成像速度，更广泛的适用范围，以及更加智能化的数据处理和分析能力。
隧道扫描显微镜有望在材料科学、生命科学、纳米技术等领域发挥更大的作用，带来更多的科学发现和技术突破。
结论
隧道扫描显微镜作为一种高端的显微镜技术，已经成为现代科学研究中不可或缺的工具。
它通过量子力学中的隧道效应实现原子级别的分辨率，在材料科学、生命科学、纳米技术等领域都有广泛的应用。
隧道扫描显微镜的发展前景十分广阔，将为科学领域带来新的突破和创新。
扫描隧道显微镜(STM)的原理和应用
扫描隧道显微镜（STM）的原理和应用【摘要】：本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，了解STM的基本仪器结构，掌握用电化学腐蚀方法制作STM探针，熟悉STM的数据采集并获取石墨的原子分辨像，分析所得扫描图像计算x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、15.6。
关键词：扫描隧道显微镜隧道效应石墨晶体一、实验引言：随着材料科学的不断进步，人们能够复制改良设计合成很多种材料。
为了能够探测到一些材料的表面形态，在20世纪80年代基于量子隧道效应，IBM公司的Binning博士、Rohrer博士及其同事研制成功了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）。
两位发明者因此于1986年获得诺贝尔物理学奖。
STM技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够一个原子一个原子地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米，在垂直于表面的方向可达0.01纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。
在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
二、实验原理：1、量子隧道效应在量子力学里，如果势能不是无限大，则在）（r V >E 的区域,薛定谔方程的解不一定为零，即一个入射粒子穿透一个）（r V >E 的有限区域的几率是非零的，这就是隧道效应。
利用图1可以说明隧道效应的物理意义，设图1（上）中为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，如图1(下)所示，则势垒穿透厚度为z 的势垒去的几率P 可用下式表示：P （z ）k x 2-e ∝，其中k=）（E -0m 21ϕ（1）图1（上）高度为的矩阵势垒 图1（下）典型的矩形势垒的遂穿几率P （z ）隧道效应，就是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层，当两端施加势能形成势垒V 时，导体中有动能E 的部分微粒子在E ＜V 的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V 而达到另一侧的物理现象。
复旦大学近代物理实验书面报告扫描隧道显微技术及其应用
复旦大学近代物理实验书面报告扫描隧道显微技术及其应用姓名:李哲明学号:专业:材料物理2007年12月26日摘要Advent of scanning tunneling microscope (STM) enabled us to observe and manipulate surface atoms by using an STM tip.Based on the study on the behavior of surface electronics states, we know an important phenomena ---the existence of the “tunnel effect”.The research in the thesis could be divided into two parts, namely, the elements of “tunneling current” between an STM tip and sample surface atoms, and how to look into the fascinating world of the atoms by using STM system.Keywords: STM, atom, tunneling引言通过以前的学习过程，我们早就知道物质是由分子和原子组成的却很少有机会去亲眼看见它们的存在。
STM（扫描隧道显微镜）可以在极高的分辨率下直接给出固体表面原子的排列图像。
扫描隧道显微技术是80年代才发展起来的一种新型表面分析技术。
它的发明曾在学术界引起轰动，其发明者Gerd Binning 博士等也因此而获诺贝尔奖。
通过本实验，我们可以观测和验证量子力学的隧道效应，并且可以看到光栅和石墨等样品表面形貌和用计算机软件得到的数据图像。
理论上，扩展扫描显微技术除了观察表面结构和原子排列以外，在表面上还可以实现原子单位大小的具体操纵。
扫描隧道显微镜的使用教程
扫描隧道显微镜的使用教程随着科学技术的进步，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）作为一种高分辨率的显微技术，被广泛应用于材料科学、纳米技术等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的基本原理和使用教程，帮助读者了解并正确运用这一先进的显微镜技术。
一、基本原理扫描隧道显微镜基于一种称为隧道效应的物理原理。
当一根尖端针的尖端与被测物体非常接近时，由于电子的波动性，电子会发生隧道穿越现象，从尖端流向被测物体表面。
通过测量流经尖端的电流大小，我们可以得到被测物体表面的形貌信息。
二、准备工作在使用扫描隧道显微镜之前，首先需要准备相关的实验设备和样品。
实验室中应该配备一台高精度的扫描隧道显微镜系统，以及适量的样品和导电性良好的探针。
确保实验环境干净、无尘，以避免尘埃影响显微镜的观察效果。
三、样品制备与安装选择合适的样品，并进行必要的表面处理，以保证样品表面的平整度和干净度。
常见的处理方式包括超声清洗、化学溶液浸泡等。
待处理好的样品需要被固定在扫描隧道显微镜样品台上，可以使用夹具、胶带或其他固定装置。
确保样品的稳定性，以免在扫描过程中发生移动或变形。
四、扫描参数设定在开始实验之前，需要根据样品的性质和实验需求来设定扫描参数。
这些参数包括扫描区域的大小、扫描速度、扫描模式等。
通常情况下，较小的扫描区域能够提供更高的分辨率，但同时需花费更长的扫描时间。
根据实际需要进行权衡，并进行相应的设定。
五、开始扫描确认样品和参数设定后，即可开始实际的扫描操作。
在扫描过程中，需要特别注意显微镜头与样品的距离。
通过微调装置，逐渐将尖端针靠近样品表面，直到隧道电流能够经过，并稳定在合适的范围内。
同时，需要根据实际情况进行针尖的横向和纵向调整，以使得扫描过程中的信号稳定和清晰。
六、结果分析与处理扫描完成后，可以得到样品表面的形貌信息。
使用相应的软件工具，可以对获得的数据进行图像重建、三维重建和分析处理等操作。
扫描隧道显微镜浅谈
扫描隧道显微镜浅谈摘要：本文简要概述了扫描隧道显微镜的工作原理及其结构组成，并对比说明了其工作模式，及扫描隧道显微镜的优缺点，同时，对其具体应用领域也作了简要介绍。
关键词扫描隧道显微镜原理应用1 扫描隧道显微镜概述扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。
它于1981年由格尔德•宾宁（G．Binning）及海因里希•罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特•鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
扫描隧道显微镜scanning tunneling microscope 缩写为STM。
它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。
此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
STM使人类第一次能够实时地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化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
2 扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。
就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。
一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。
当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。
电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。
在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。
3 扫描隧道显微镜基本组成及结构STM包括隧道针尖、三维扫描控制器、减振系统、头部探测系统、电子学控制系统和计算机软件系统四部分,各部分的关系如下图所示：仪器基本构成示意图3.1 隧道针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。
扫描隧道显微镜(STM)
图9-4
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图9-5
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二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
（一）微悬臂（力传感器） （二）微悬臂变形的检测方法
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（一）微悬臂（力传感器）
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量，首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
（1）弹性系数k值应在10 -2～10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力，一般针尖曲率半径为30 nm
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（二）微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的，并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
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三、原子力显微镜的成像模式
（一）接触成像模式 （二）非接触成像模式 （三）轻敲成像模式
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一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同，STM不采用任何光学或电子透镜 成像，而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时，利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系， 获得原子级样品表面形貌特征图像，其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50～100 nm的极细金属探针（通常是金属钨制作 的针尖），功能是在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同 （如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时，针尖与样品表面距离一般约为0.3～1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时， 电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）；金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗（P x、P y、 P z）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷 器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用 STM
扫描隧道显微镜的原理及应用
扫描隧道显微镜的原理及应用【摘要】本实验主要是通过电化学腐蚀钨丝的方法制备扫描隧道显微镜的针尖，用所制备的针尖对石墨样品进行扫描从而获得石墨样品表面的原子分辨像，结合石墨的六角晶格结构和晶格常数，对石墨表面图像进行处理分析，求得x 和Y 方向的灵敏度约为15.74 Å/V关键词：探针、STM 、隧道效应、粗逼近、原子分辨像一、实验引言：1982年，IBM 瑞士苏黎士实验室的葛•宾尼和海•罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜。
STM 使人类第一次能够实时地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化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
STM 技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够逐个地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态以及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
为表彰STM 的发明者们对科学研究所做出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
STM 技术的最大优点是可以获得原子级的高分辨率，在平行表面的方向可达0.1nm ，在垂直表面的方向可达0.01nm 。
此外STM 还可获得物体表面实空间的三维图像，可以观察单个原子的局部表面结构，并且可以得到表面电子结构的信息。
STM 也有明显的缺；由于原子波函数的叠加，STM 在恒定电流的工作模式下对样品表面的某些沟槽不能准确地探测，与此相关的分辨率较差；另外，其观察的样品必须具有导电性，致使其使用范围受到很大的限制。
不过其后衍生出的原子力显微镜、磁力显微镜弥补了这相面的不足，使得探针显微技术不独完善，并在纳米技术领域得到了广泛的应用。
二、实验原理：1、理论原理在经典理论中，动能只能去非负值，因此一个粒子的势能要大于它的总能量是不可能的。
但在量子理论中，若势能有限，且V()r E >，则Shrodinger 方程为：22()()()()2V r r E r r m ϕϕ⎡⎤-∇+=⎢⎥⎣⎦（1） 其解不为零，即一个入射粒子穿透一个V()r E >的有限区域的几率是非零的，这称隧道效应。
三大显微镜原理与应用及图片
—、三大显微镜的原理。
1、扫描隧道显微镜的原理。
. 在x二0和x=a点，波函数及其导数连续，并假设k’a》l(另有论述)，则推得隧道电流:Iocf(码呷(一2厂a).在简单情形下，对费米面电子来说，v一E相当于该材料的脱出功，由于一般稳定金属的脱出功为4一5“[5]，所以k’一0.lrun，厂a》1很容易满足，上述假设是成立的.显然，当针尖一样品间距(即a)变化0.IYun时，电流将变化约一个数量级.g1M正是利用隧道电流对间距变化的敏感性来工作的.SIM的扫描过程描述为:针尖在扫描控制系统的控制下，可沿样品表面作三维移动，随着样品表面的起伏，针尖一样品间距将发生变化，隧道电流随之变化.通过一个反馈系统调节这个间距，使电流重新接近事先设定的值.由电流的表达式可知，由于偏压V恒定，故要求间距a也恒定，样品表面的形貌也就通过针尖的轨迹反映出来了.这是STM工作方式之一—恒流模式.若保持针尖在样品表面上方一个固定的平面内作二维移动，则样品表面的起伏可通过隧道电流的变化反映出来.此时，反馈系统的反应速度很慢，不能跟踪表面的细节.这是Sn竹工作方式之二—等高模式.这种工作方式要求表面起伏小，否则针尖很容易碰到样品，而且一般用于小范围的表面测量。
2、透射电子显微镜的原理。
透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子的碰撞而改变方向，从而产生立体角散射，散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。
通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1~0.2nm, 放大倍数为几万~百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2?m、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。
透射电镜特别适合对微细矿物及隐晶质矿物和超细粉体的形貌及结构分析，它决定了偏光显微镜分辨率低的不足，又克服了X射线衍射仪不能直接观察矿物形貌的困难。
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STM的历史1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gred Binning)博士和海·罗雷尔（Heinrich Rohrer）博士及其同事们共同研制成功了世界上第一台扫描隧道显微镜。
它使人类第一次能够实时地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，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，Gred Binning和Heinrich Rohrer也因此荣获1986年诺贝尔物理学奖。
STM与其它表面分析技术相比所具有的独特优点：1.具有原子级的高分辨率。
STM在平行于和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm。
2.可实时的得到在实空间中表面的三维图象，可用于具有周期性或不具有周期性的表面结构研究。
这种可实时的观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。
3.可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。
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或其它溶液中，而不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。
这些特点特别适于研究生物样品和在不同实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、电化学反应过程中对电极表面变化的监测等。
5.配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信息，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。
透射电镜与扫描电镜参见有关该章节资料场粒子显微镜场粒子显微镜（FIM）是美国宾夕法尼亚大学的E.W.Muller教授在1951年发明的一种具有高放大倍数、高分辨率、并能直接观察表面,He）在带正高压的针尖原子的研究装置。
它利用成像气体原子（H2样品的附近被场离子化，然后受电场加速，并沿着电场方向飞行到阴极荧光屏，在荧光屏上得到一个对应于针尖表面原子排列的所谓“场离子像”。
上述的场离子化包括空间自由原子的场电离和针尖表面附近的场电离。
在金属尖端周围充以“成像气体”，利用针尖表面的场强使成像气体原子电离，让形成的正离子沿径向加速打到荧光屏上，则荧光屏上可显示尖端表面的显微图像，因为在原子排列的凸位场强较强，这种位置容易引起场电离。
气体原子是处于热运动当中的，相对于电场线垂直方向的热运动速度分量大，则离子轨道偏离电场线的程度就大，相邻原子给出的轨道就会相互交叉，这样在荧光屏上对应于表面原子的辉点就变得模糊或相互重叠，进而影响了其分辨率，所以应设法降低其工作温度。
在强电场作用下，不仅成像气体产生场离子化，而且表面原子也受到非常大的静电力作用，当这种静电力大于表面原子与次层原子的结合力时，表面原子就会被剥离而逸出表面，这种表面原子的脱离过程即是场致蒸发，其可用于研究表面组分的信息。
STM的工作原理STM工作原理如图所示，图中A为具有原子尺度的针尖，B为被分析的样品。
STM工作时，在样品和针尖之间加一定电压，当样品与针尖间的距离小于一定值时，由于量子隧道效应，样品和针尖之间会产生隧道电流I.STM 工作时，针尖与样品之间的距离d 一般约为0.4nm，此时隧道电流I表征样品和针尖电子波函数的重叠程度，它可以表示为： 式中：为针尖和样品之间所加的偏压，V b φ为针尖和样品的平均功函数即（)(2121φφφ+=），A 为常数。
在真空条件下，1≈A 。
根据量子力学理论，由上式可以算出，当距离减少0.1nm 时，隧道电流d I 将增加一个数量级，即隧道电流对样品表面的微观起伏非常敏感，这是STM 为什么能用来观察样品表面原子级起伏的基础。
STM 的工作模式根据扫 描过程中针尖与样品间的相对运动的不同，可将STM 的工作模式分为恒电流模式和恒高模式两种1. 恒电流模式在恒电流模式下，样品与针尖间的距离不变，即为常数。
当针尖在样品表面扫描时，由于样品表面高度起伏，引起隧道电流变化，此时通过一定的电子反馈系统，驱动针尖随样品的高低变化做升降运动，以确保针尖与样品间的距离保持不变，这时隧道电流： d d exp(21φB I V b −∝ 上式表示，在恒电流模式下隧道电流I 随功函数的改变而改变，这时隧道电流直接反映了样品表面态密度的分布。
在一定条件下，样品表面态密度与样品表面的高低起伏程度有关。
恒电流模式是STM 的常用工作模式，适合于观察表面起伏较大的样品2. 恒高度模式在恒高度模式下，控制针尖在样品表面某一小平面上扫描，随着样品表面高低起伏，隧道电流不断变化，通过记录隧道电流的变化，可得到样品表面的形貌图。
恒高度模式不能用于观察表面起伏大于1nm 的样品，只适合于观察表面起伏较小的样品。
在恒高度模式下，STM可快速扫描，能有效地减少噪声和热漂移对隧道电流信号的干扰，从而获得具有更高分辨率的图像。
STM的局限性与发展STM的主要技术问题在于精密控制针尖相对于样品运动，目前，STM 的针尖运动是采用压电陶瓷控制的。
在压电陶瓷上施加一定的电压，使得压电陶瓷制成的部件产生变形并驱动针尖运动。
目前针尖运动的控制精度已达到0.01nm.1.在STM的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。
2.STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。
3.不能用于深度分析；探针扫描范围小；依赖于经验。
STM的应用1.金属、半导体、超导体等的表面几何结构、电子结构及表面形貌的分析；2.直接观察样品具有周期性和不具有周期性特征的表面结构、表面重构和结构缺陷等；3.超高真空STM，原位观察表面吸附、解吸以及表面催化、研究表面生长和界面状态等动力学过程隧道效应基础在量子力学中，隧道效应是粒子波动性的直接结果。
当一个粒子进入到一个势垒中，而势垒的势能比粒子的动能大时，粒子越过壁垒区而出现在势垒另一边的几率不为零。
（而经典力学给出的几率则为零） 下图可以简单的说明隧道效应的物理意义设a中Φ0为矩形势垒的高度，E为粒子的动能，则如b所示，该粒子穿透厚度为Z的势垒区的几率P，可表示为：e kZ P 2−∝ 式中h 20/)(2E m k −=φ隧道电流公式的导出局域态密度LDOS ：空间一给定点和给定能量处，单位体积和单位能量间隔内的电子态数目发射电流密度与两个因素有关：（1）金属内部电子总能量为E-E+dE、法向方向上能量为W-W+dW 电子、单位时间打在金属表面（z=0）单位面积上的数目，称为供给函数N(W,E)dWdE，（2）具有能量W 的电子穿透势垒的概率，即透射系数D(W)。
W)dWdE N(W,E) D(P(W,E)dWdE =[]d W c W D /)(exp )(ζ−+−≅]T /)exp[(14),(3k E dWdE h m dWdE E W N ζπ−+⋅−=dWdE E W P P(E)dE W ),(∫=∫=dE E P e )(J()()FE J e N W D W dW −∞=∫由于STM 工作时的针尖与样品间距一般小于1nm,同时由于隧道电流与隧道间距成指数关系，因此任何微小的振动，如，由说话的声音和人走动所引起的振动都会对仪器的稳定性产生影响。
许多样品，特别是金属样品，在STM 的恒电流扫描模式中，观察到的表面起伏通常为0.01nm，因此，好的仪器应具有良好的减震效果，一般由振动引起的隧道间距变化必须小于0.001nm.有两种类型的扰动必须隔绝：振动和冲击，振动一般是重复性的和连续性的，而冲击则定义为当动能在一个短时间内传递到系统时的瞬态变化。
二者当中，振动隔绝是最主要的。
建筑物一般在10到100Hz频率之间摆动，当在实验室附近的机器工作时，可能激发这些振动。
通风管道、变压器和马达所引起的振动在6到65Hz之间，房屋骨架、墙壁和地板一般在15到25Hz易产生与剪切和弯曲有关的振动。
实验室工作人员所产生的振动（如在地板上行走）频率在1到3Hz范围。
因此，STM减震系统的设计应用主要考虑1到100Hz之间的振动。
隔绝振动的方法主要靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。
目前实验室常用的减震系统于下图所示。
这种减震系统采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂和磁性涡流阻尼等三种综合减震措施来达到减震的目的。
STM探头部分放置在一个由多层金属板叠置而成的平台上，每层金属板之间放置三个合成橡胶制成的小圆柱。
平台由两级减震系统（两级框架）悬挂在金属屏蔽箱内或真空室内。
在由弹簧悬挂的两级框架底部分别相对装有永久磁铁和铜板。
振动微扰会引起铜板在磁铁所形成的磁场中上下运动，这种运动会在铜板内产生涡流，而涡流与磁场的相互作用反过来又会对这种相互运动产生阻尼，从而减小悬挂系统的振动。
金属板之间的橡胶柱主要用于降低大幅度冲击振动所产生的影响STM仪器本身的固有振动频率f s越高，隔离振动系统的固有频率f1越低，振动隔离效果越好。
对于中间频率f的振动，有f s > f > f1则衰减前后的振幅之比（总体传递函数）为K(f)=(f1/ f s )2要到达原子级的分辨率，STM的总体传递函数要到达10-6或更低。
机械设计在理想的STM的机械设计中，应满足下列要求：1.在Z方向的伸缩范围至少为1微米，精度约为0.001nm；2.在X和Y方向的扫描范围至少为1微米×1微米，精度应在0.01nm左右；3.在Z方向的机械调节的精度应高于0.1微米，其精度至少应在压电陶瓷驱动器Z方向长度的变化范围内，这个变化范围由驱动电压和压电陶瓷材料的压电系数所决定。
机械调节的范围应在1毫米以上；4.能在较大范围内选择感兴趣的区域扫描；5.针尖与样品之间的间隙尽可能具有较高的稳定性，即具有较高的机械共振频率。
扫描控制器件：为了在样品表面达到高精度的扫描，普通机械的控制很难达到要求，目前普遍采用压电陶瓷材料制作扫描控制器件。
所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生变形时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理变形现象。
许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是](通常称为PZT陶瓷)多晶陶瓷材料，例如钛/锆酸铅[Pb（Ti/Zr）O3和钛酸钡等，由于前者掺杂含量可以改变，因而可以获得不同组成、不同性质的PZT陶瓷材料。
压电陶瓷不同于压电晶体之处在于：它必须经过极化处理后才具备压电特性。
压电陶瓷能以简单的方式将1mV到1000V的电压信号换成十几分之一纳米到几微米的位移。
隧道针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。