STM的主要原理是利用量子力学中的隧道贯穿效应，其核心部件是一个能在样品表面进行扫 描、与样品之间保持一定偏压、其直径为原子尺度的探针。在通常的低电压下，分离的针尖与样品之间（相当于两个电极）具有很大的阻抗，阻止电流通过，称为势 叠。当针尖与样品非常靠近时，其间的势叠变得很薄，电子云相互重迭，在针尖与样品之间施加一电压，电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到 针尖，形成隧道电流。通过记录隧道电流的变化就可以获得样品表面的微观信息。STM要求样品表面与针尖具有导电性。
STM有两种成像模式：恒流模式和恒高模式。在恒流模式中，STM通过反馈系统不断调节针尖与样品表面每个检测点上的距离，使隧道电流保持一个不变的恒 值，测定扫描头上针尖与样品表面的高度变化就可获得样品表面形貌等微观信息。在恒高模式中，针尖始终保持在样品上方一个恒定的高度上，隧道电流随着样品表 面形貌等微观特性的改变而变化，通过检测每个测量点上的电流变化来获得样品表面微观信息。在恒高模式中，扫描头不需要上下移动，从而加快了扫描速度。
