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표면의 국지적 전도성을 측정하기 위해 양자역학의 터널 현상을 이용하여 1981년 G. 비니히와 H. 로러가 고안한 현미경이다. 텅스텐 탐침 바늘의 끝이 시료의 표면으로부터 수 Å 떨어져 있고 둘 사이에 낮은 전압이 걸리면 전자가 그 틈을 통과하게 된다.

탐침이 시료의 표면을 주사하면서 터널 전류의 변화를 기록하고 이것으로 표면의 위상학적인 상을 형성한다. 비니히와 로러는 이것을 이용해 금의 표면을 처음으로 관찰했으며 해상능은 단일 원자를 관찰할 수 있는 수준이다. STM은 금속의 표면 연구, 산소 같은 원소의 흡수와 확산 연구에 이용되며, 금 박막 위에 금 또는 은, 니켈 등의 에피택시(epitaxy：어떤 결정이 다른 결정의 표면에서 특정 방향을 가지고 성장하는 것)를 관찰할 수 있다.

STM은 진공 속, 공기, 물, 유전액체, 전해질용액 등에서 작동가능하고 4~973K의 온도 범위에서 작동된다. 저온에서는 초전도체의 연구에, 고온에서는 금속 표면을 통한 원자의 빠른 확산과 부식의 연구에 이용된다. 그밖에 시료의 표면으로부터 원자들을 이동시키거나 여러 기체 속에서 에칭속도(etching rate)를 증가시키는 데도 이용된다(→ 주사 터널링 현미경).