Ein Rastertunnelmikroskop (STM) ist ein innovativer Mikroskoptyp, der anstelle von reflektierendem Licht wie bei herkömmlichen optischen Mikroskopen Quantentunnel zwischen einer Probe und einer Sondenspitze verwendet, um die Oberfläche abzubilden. Die von einem STM erreichten Auflösungen können bis zu einer lateralen Auflösung von 0.1 nm und einer Tiefenauflösung von 0.01 nm betragen. Dies ist um ein Vielfaches höher als die mit den besten Elektronenmikroskopen erreichbaren Auflösungen.
Ein STM kann in einer Vielzahl von Umgebungen arbeiten: Neben Ultrahochvakuum funktioniert es auch in Umgebungen, die mit Wasser, Luft usw. gesättigten sind. Dies macht das Mikroskop sehr flexibel. Allerdings muss die Oberfläche sehr sauber und die STM-Spitze sehr scharf sein, was zu praktischen Herausforderungen bei der Bildgebung führt. Das STM wurde 1981 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelt. 1986 erhielten sie für ihre Arbeiten zu STMs den Nobelpreis für Physik.
Eine STM-Spitze ist so scharf, dass sie nur aus einem einzigen Atom besteht. Wenn die Spitze „stumpf“ ist und aus zwei Atomen statt aus einem besteht, führt dies zu unscharferen Bildern. Die Herausforderung, ausreichend scharfe Spitzen herzustellen, hat die Forscher dazu veranlasst, die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren als STM-Spitzen zu untersuchen, da sie sehr starr und einfach herzustellen sind. Die Spitze wird manchmal als „Stylus“ bezeichnet und eine Platin-Iridium-Kombination gehört zu den am häufigsten verwendeten Spitzenmaterialien.
Wie bei vielen anderen Mikroskopen ist häufig eine fortschrittliche Schwingungsdämpfung erforderlich, um ein nützliches STM zu erstellen. In den frühesten Systemen wurden Magnetschwebesysteme verwendet, obwohl heute federbasierte Systeme am beliebtesten sind. Kurz nachdem STMs allgemein bekannt geworden waren, konnte ein Schüler der High School mit nur etwa 100 US-Dollar (USD) an Material einen groben STM erstellen. Als Bildschirm diente ein Oszilloskop.
Die Spitze eines STM wird von einem „Piezo“ oder piezoelektrischen Kristall geführt, der sich als Reaktion auf ein elektrisches Feld auf eine kleine, aber sehr vorhersehbare Weise biegt. Bei einem STM ist die Spitzenbewegung vollständig computergesteuert.