歴史が1980年代に発展すると、物理学を基礎とし、さまざまな現代技術を統合した新しい表面分析機器、走査型プローブ顕微鏡（STM）が誕生しました。STMは、非常に高い空間分解能（横方向で最大0.1nm、縦方向で0.01nm以上）を備えているだけでなく、物質表面の原子構造を直接観察できるだけでなく、原子や分子を操作することもできるため、人間の主体的な意志を自然に課すことができます。走査型プローブ顕微鏡は、人間の目と手の延長であり、人間の知恵の結晶であると言えます。
走査プローブ顕微鏡の動作原理は、ミクロまたはメソスコピック範囲のさまざまな物理的特性に基づいています。 2 つの間の相互作用は、研究対象の物質の表面上の原子線の超微細プローブをスキャンすることによって検出され、2 つの間の相互作用の結果を取得します。 物質の表面特性を研究する場合、異なるタイプの SPM の主な違いは、チップ特性と、チップとサンプルの相互作用の対応する方法です。
動作原理は量子力学のトンネル貫通原理に由来します。その核はサンプルの表面をスキャンできるチップであり、サンプルとの間に一定のバイアス電圧を持ちます。その直径は原子スケールです。電子のトンネル確率はポテンシャル障壁の幅 V(r) と負の指数関係にあるため、チップとサンプルの距離が非常に近い場合、ポテンシャル障壁は非常に薄くなり、電子雲が互いに重なり合います。電圧を印加すると、トンネル効果により電子がチップからサンプルへ、またはサンプルからチップへ移動し、トンネル電流が形成されます。チップとサンプル間のトンネル電流の変化を記録することで、サンプルの表面形態に関する情報を得ることができます。
他の表面分析技術と比較して、SPM には次のような独自の利点があります。
（１）原子レベルの高解像度。試料表面に平行および垂直方向のSTMの解像度はそれぞれ0.1nmおよび0.01nmに達し、単一原子を分解することができます。
（２）実空間における表面の３次元画像をリアルタイムで取得することができ、周期性の有無にかかわらず表面構造を研究することができる。この観測可能な性能は、表面拡散などの動的プロセスの研究に利用できる。
（３）表面全体の個別像や平均特性ではなく、原子層単位の局所的な表面構造を観察することができる。そのため、表面欠陥、表面再構成、表面吸着体の形状や位置、吸着体による影響などを直接観察することができる。表面再構成など
（4）真空、大気、常温などのさまざまな環境で動作し、サンプルを水やその他の溶液に浸すこともできます。特別なサンプル準備技術は必要なく、検出プロセスでサンプルが損傷することはありません。これらの機能は、不均一触媒メカニズム、超伝導メカニズム、電気化学反応中の電極表面の変化のモニタリングなど、さまざまな実験条件下での生物学的サンプルの研究やサンプル表面の評価に特に適しています。
（５）走査トンネル分光法（STS）と組み合わせることで、表面の異なるレベルでの状態密度、表面電子トラップ、表面電位障壁の変化、エネルギーギャップ構造など、表面電子構造に関する情報を得ることができます。
