走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope）

走査型トンネル顕微鏡は1982年、ゲルト・ビーニッヒ(G. Binnig)とハインリッヒ・ローラー(H. Rohrer)によって作り出された実験装置。STM、走査トンネル顕微鏡とも言う。非常に鋭く尖った探針を導電性の物質の表面または表面上の吸着分子に近づけ、流れるトンネル電流から表面の原子レベルの電子状態、構造など観測するもの。トンネル電流を使うことからこの名がある。走査型プローブ顕微鏡の一つ。

表面の走査は圧電素子を使って行われる。STMの探針は表面から染み出す波動関数を敏感に感じ、それは探針‐表面間の距離に対し指数関数的に効く。従って、原子一個から数個分の距離でもトンネル電流の量は大きく変化する（0.1 nm = 1 Aの差でトンネル電流の値が一桁も変わり得る）。このことから、探針の最先端の原子一個が表面の電子状態（波動関数の染み出し）を最も感じていることとなり、これが原子レベルの観測を可能にしている。また、観測されるのは染み出した波動関数からによるトンネル電流であり、表面の原子レベルの凹凸を直接見ている訳ではない。

観測方法は、探針と表面の距離を一定に保つものと、トンネル電流を一定に保つものに大別される。また、条件により大気中や液体中での観測も可能である。 STMのトンネル電流が表面上とエネルギーをやり取りする非弾性な電流も存在し、表面に吸着した分子の振動などを励起したり、分子の結合をきったりすることが可能なことが知られている。

STMの探針は機械研磨、または電解研磨によって先鋭化される。ビーニッヒらが開発した初期のものは先端半径が100nm程度であったが、その後は集束イオンビームなどの手法も用いられてはるかに鋭い探針が得られるようになった。2007年現在では、先端の直径が約10nmにまでなっている。

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