Ứng dụng kính hiển vi điện tử quét đường hầm
Nguyên tắc của kính hiển vi đường hầm là sử dụng khéo léo hiệu ứng đường hầm vật lý và dòng điện đường hầm. Có một số lượng lớn các điện tử "tự do" trong cơ thể kim loại và sự phân bố năng lượng của các điện tử "tự do" này trong cơ thể kim loại tập trung gần mức Fermi và có một rào cản tiềm năng với năng lượng cao hơn mức Fermi trên ranh giới kim loại. Vì vậy, theo quan điểm của vật lý cổ điển, các electron “tự do” trong kim loại, chỉ những electron có năng lượng lớn hơn hàng rào biên mới có thể thoát ra bên ngoài kim loại. Tuy nhiên, theo các nguyên lý của cơ học lượng tử, các electron tự do trong kim loại cũng có tính chất sóng, khi sóng electron này truyền đến ranh giới kim loại và gặp một rào cản bề mặt, một phần của nó sẽ bị truyền đi. Điều đó có nghĩa là, một số electron có năng lượng thấp hơn hàng rào tiềm năng bề mặt có thể xuyên qua hàng rào tiềm năng bề mặt kim loại và tạo thành một "đám mây điện tử" trên bề mặt kim loại. Hiệu ứng này được gọi là đường hầm. Vì vậy, khi hai kim loại ở gần nhau (dưới vài nanomet), các đám mây điện tử của hai kim loại sẽ xuyên qua nhau. Khi đặt một điện áp thích hợp, ngay cả khi hai kim loại không thực sự tiếp xúc với nhau, một dòng điện sẽ chạy từ kim loại này sang kim loại khác. Dòng điện này được gọi là dòng điện đường hầm.
Dòng điện trong hầm và điện trở trong hầm rất nhạy cảm với những thay đổi trong khe hở của hầm. Ngay cả sự thay đổi 0.01nm trong khe hở đường hầm cũng có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong dòng điện trong đường hầm.
Nếu một đầu dò rất sắc (chẳng hạn như kim vonfram) được sử dụng để quét song song với bề mặt theo hướng x và y ở độ cao vài phần mười nanomet so với bề mặt mẫu nhẵn, vì mỗi nguyên tử có một kích thước nhất định, Khoảng cách giữa đường hầm sẽ thay đổi theo x và y, và dòng điện trong đường hầm chạy qua đầu dò cũng sẽ khác. Ngay cả những thay đổi về chiều cao của vài phần trăm nanomet cũng có thể được phản ánh trong các dòng điện trong đường hầm. Một máy ghi được đồng bộ hóa với đầu dò quét được sử dụng để ghi lại những thay đổi của dòng điện xuyên hầm và có thể thu được hình ảnh kính hiển vi điện tử quét đường hầm với độ phân giải vài phần trăm nanomet.
