Kui ajalugu arenes 198. aastani, sündis uus füüsikal põhinev pinnaanalüüsi instrument, mis integreerib mitmesuguseid kaasaegseid tehnoloogiaid – skaneeriva sondi mikroskoop (STM). STM-il ei ole mitte ainult väga kõrge ruumiline eraldusvõime (kuni 0,1 nm külgsuunas ja parem kui 0,01 nm pikisuunas), vaid see suudab vahetult jälgida materjali pinna aatomistruktuuri ja samuti manipuleerida aatomite ja molekulidega, muutes seeläbi inimese subjektiivne tahe on peale surutud loodusele. Võib öelda, et skaneeriva sondi mikroskoop on inimese silmade ja käte pikendus ning inimliku tarkuse kristallisatsioon.
Skaneeriva sondi mikroskoobi tööpõhimõte põhineb erinevatel füüsikalistel omadustel mikroskoopilises või mesoskoopilises vahemikus. Nende kahe vastastikmõju tuvastatakse uuritava aine pinna kohal olevate aatomijoonte ülipeente sondi skaneerimisega, et saada nende kahe vastasmõju tulemusi. Aine pinnaomaduste uurimiseks on peamiseks erinevuseks eri tüüpi SPM-ide vahel nende tipuomadused ja neile vastav tipu ja proovi interaktsiooni viis.
Tööpõhimõte tuleneb kvantmehaanika tunneli läbimise põhimõttest. Selle südamik on ots, mis suudab skaneerida proovi pinda ja millel on selle ja proovi vahel teatud eelpinge. Selle läbimõõt on aatomi skaalal. Kuna elektronide tunneldamise tõenäosusel on negatiivne eksponentsiaalne seos potentsiaalse barjääri laiusega V(r), siis kui tipu ja proovi vaheline kaugus on väga lähedal, muutub potentsiaalbarjäär väga õhukeseks ja elektronpilved kattuvad üksteisega. Pinge rakendamisel saab elektrone tunneliefekti kaudu üle kanda tipust proovi või proovist tippu, moodustades tunnelivoolu. Otsa ja proovi vahelise tunnelivoolu muutuste registreerimisel saab teavet proovi pinnamorfoloogia kohta.
Võrreldes teiste pinnaanalüüsi tehnoloogiatega on SPM-il ainulaadsed eelised:
(1) Aatomitaseme kõrge eraldusvõimega. STM-i eraldusvõime proovipinnaga paralleelsetes ja sellega risti olevates suundades võib ulatuda vastavalt 0,1 nm ja 0,01 nm ning üksikuid aatomeid saab lahutada.
(2) Pinna kolmemõõtmelist kujutist reaalruumis on võimalik saada reaalajas, mille abil saab uurida pinnastruktuure perioodilisusega või ilma. Seda jälgitavat jõudlust saab kasutada dünaamiliste protsesside, näiteks pinna difusiooni uurimiseks.
(3) Vaadelda saab üksiku aatomikihi lokaalset pinnastruktuuri, mitte üksikut kujutist või kogu pinna keskmisi omadusi. Seetõttu saab vahetult jälgida pinnadefekte, pinna rekonstrueerimist, pinnale adsorbeerunud kehade kuju ja asendit ning adsorbeerunud kehade põhjustatud mõjusid. Pinna rekonstrueerimine jne.
(4) See võib töötada erinevates keskkondades, nagu vaakum, atmosfäär ja normaalne temperatuur, ning võib isegi proove vette ja muudesse lahustesse kasta. Spetsiaalset proovi ettevalmistamise tehnoloogiat pole vaja ja tuvastamisprotsess ei kahjusta proove. Need omadused sobivad eriti hästi bioloogiliste proovide uurimiseks ja proovipindade hindamiseks erinevates katsetingimustes, näiteks heterogeensete katalüütiliste mehhanismide, ülijuhtivate mehhanismide ja elektroodide pinna muutuste jälgimiseks elektrokeemiliste reaktsioonide käigus.
(5) Koos skaneeriva tunneldusspektroskoopiaga (STS) on võimalik saada teavet pinna elektroonilise struktuuri kohta, näiteks pinna erinevatel tasanditel olevate olekute tiheduse, pinna elektronlõksude, pinnapotentsiaalibarjääride muutuste ja energiavahe struktuuride kohta. .
