Ko se je zgodovina razvila v leta 1980, se je rodil nov instrument za površinsko analizo, ki temelji na fiziki in združuje različne sodobne tehnologije – mikroskop z vrstično sondo (STM). STM nima le zelo visoke prostorske ločljivosti (do 0,1 nm v bočni smeri in boljšo od 0,01 nm v vzdolžni smeri), lahko neposredno opazuje atomsko strukturo površine materiala in lahko tudi manipulirajo z atomi in molekulami ter tako preoblikujejo človeka Subjektivna volja je vsiljena naravi. Lahko rečemo, da je vrstični sondni mikroskop podaljšek človeških oči in rok ter kristalizacija človeške modrosti.
Načelo delovanja vrstičnega sondnega mikroskopa temelji na različnih fizikalnih lastnostih v mikroskopskem ali mezoskopskem območju. Interakcija med obema se zazna s skeniranjem ultrafine sonde atomskih linij nad površino snovi, ki jo proučujemo, da bi dobili rezultate interakcije med obema. Za preučevanje površinskih lastnosti snovi je glavna razlika med različnimi vrstami SPM njihove lastnosti konice in ustrezen način interakcije konica-vzorec.
Načelo delovanja izhaja iz načela penetracije tunela v kvantni mehaniki. Njegovo jedro je konica, ki lahko skenira na površini vzorca in ima med seboj in vzorcem določeno prednapetost. Njegov premer je na atomski lestvici. Ker ima verjetnost elektronskega tuneliranja negativno eksponentno razmerje s širino potencialne pregrade V(r), ko je razdalja med konico in vzorcem zelo blizu, potencialna pregrada postane zelo tanka in elektronski oblaki se prekrivajo. Ko je napetost uporabljena, se lahko elektroni prenesejo s konice na vzorec ali z vzorca na konico skozi učinek tunela in tvorijo tunelski tok. Z beleženjem sprememb v tunelskem toku med konico in vzorcem je mogoče pridobiti informacije o morfologiji površine vzorca.
V primerjavi z drugimi tehnologijami površinske analize ima SPM edinstvene prednosti:
(1) Z visoko ločljivostjo na atomski ravni. Ločljivost STM v smereh, ki so vzporedne in pravokotne na površino vzorca, lahko doseže 0.1 nm oziroma 0.01 nm, pri čemer je mogoče ločiti posamezne atome.
(2) V realnem času je mogoče pridobiti tridimenzionalno sliko površine v realnem prostoru, ki jo lahko uporabimo za preučevanje površinskih struktur z ali brez periodičnosti. Ta opazna zmogljivost se lahko uporabi za preučevanje dinamičnih procesov, kot je površinska difuzija.
(3) Opazujemo lahko lokalno površinsko strukturo posamezne atomske plasti namesto posamezne slike ali povprečnih lastnosti celotne površine. Zato je mogoče neposredno opazovati površinske napake, rekonstrukcijo površine, obliko in položaj površinskih adsorbiranih teles ter učinke, ki jih povzročajo adsorbirana telesa. Površinska rekonstrukcija itd.
(4) Lahko deluje v različnih okoljih, kot so vakuum, atmosfera in normalna temperatura, in lahko celo potopi vzorce v vodo in druge raztopine. Posebna tehnologija priprave vzorcev ni potrebna, postopek detekcije pa vzorcev ne poškoduje. Te značilnosti so še posebej primerne za preučevanje bioloških vzorcev in vrednotenje površin vzorcev v različnih eksperimentalnih pogojih, kot je spremljanje heterogenih katalitskih mehanizmov, superprevodnih mehanizmov in sprememb površine elektrod med elektrokemičnimi reakcijami.
(5) V povezavi z vrstično tunelsko spektroskopijo (STS) je mogoče pridobiti informacije o površinski elektronski strukturi, kot so gostota stanj na različnih ravneh na površini, površinske elektronske pasti, spremembe površinskih potencialnih pregrad in strukture energijskih vrzeli. .
