Optiskās (gaismas) mikroskopijas izšķirtspēju ierobežo izmantotā starojuma viļņa garums (redzamās gaismas diapazonā 400‒700 nanometri [nm]), tāpēc tā nav piemērota nanomēroga struktūru pētījumiem.

Skenējošās zondes mikroskopijas pamatā ir mijiedarbība starp īpaši nosmailinātu cietu zondi un pētāmā parauga virsmas atomiem. Attēla iegūšanas laikā zonde tiek skenēta parauga virsmas tuvumā, katrā punktā sniedzot informāciju par kādu pētāmo fizikālo lielumu (strāvu, mijiedarbības spēku un citiem). Pēc datu apstrādes iespējams konstruēt parauga virsmas topogrāfisko attēlu.

Skenējošās zondes mikroskopija tiek izmantota fizikas, ķīmijas un bioloģijas nozaru laboratorijās, kā arī industrijā kā analītiska metode dažādu objektu pētniecībā. Skenējošās zondes mikroskopus izmanto arī kā instrumentus atomāru struktūru veidošanā uz paraugu virsmas. Tā kā materiālu īpašības un veiktspēja ir cieši saistītas ar to struktūru nanomērogā, skenējošās zondes tehnoloģijām ir nozīmīga loma inovatīvu produktu izstrādē un uzlabošanā.

Skenējošās zondes mikroskopija ir neatņemama sastāvdaļa daudzu fizikas, ķīmijas un bioloģijas apakšnozaru pētījumos. Skenējošās zondes mikroskopiju sīkāk iedala:

• skenējošā tuneļstrāvas mikroskopija (scanning tunneling microscopy, STM);
• atomspēku mikroskopija (atomic force microscopy, AFM);
• skenējošā tuvā lauka optiskā mikroskopija (scanning near field optical microscopy, SNOM).

Skenējošās zondes mikroskopijas apakšnozares savā starpā atšķiras ar fizikālo lielumu, kas tiek pētīts ar zondi, kā arī ar paša mikroskopa realizāciju.

Atkarībā no zondes attāluma līdz parauga virsmai tiek šķirti kontakta un bezkontakta darbības režīmi.

Skenējošās zondes mikroskopijas pamatā ir procesi zondes mijiedarbībā ar pētāmā parauga virsmas atomiem, tāpēc svarīgas ir kvantu fizikas un cietvielu fizikas teorijas. Plašo skenējošās zondes mikroskopijas pielietojumu rāda materiālu fizika un nanofizika.

Fizikālais lielums, kas tiek mērīts STM, ir tuneļstrāva (tunnel current) starp mikroskopiskās zondes smaili un parauga virsmu. Tuneļefekts ir kvantu fizikas parādība, kuras rezultātā kvantu daļiņām ir varbūtība pārvarēt potenciāla barjeru, kas pārsniedz daļiņas enerģiju. Klasiskajā fizikā daļiņām šāds efekts nav iespējams. Tuneļstrāvu rada elektroni, kas tunelē starp elektrisko strāvu vadošā materiāla virsmu un metālisko zondi. Tiešas saskares starp zondes smaili un virsmu nav – tā tiek turēta nelielā attālumā (< 1 nm) no parauga virsmas, kas arī nosaka pārvaramās potenciāla barjeras augstumu. Tā kā elektronu tunelēšanas varbūtība ir atkarīga no zondes attāluma līdz paraugam, mērot strāvas stiprumu, iespējams noteikt parauga virsmas topogrāfisko attēlu.

AFM pamatā ir mijiedarbības spēku mērīšana starp zondes smailes un parauga virsmas atomiem. Atkarībā no zondes darbības režīma tie var būt gan pievilkšanās, gan atgrūšanās tipa spēki. Zonde tiek uzmontēta mikroizmēra sviras (cantilever) nenostiprinātajā pusē, kas, nonākot parauga virsmas tuvumā, var kā atspere elastīgi deformēties. Sviras deformācijas amplitūdu nosaka mijiedarbības spēks starp zondi un virsmu, ko reģistrē, mērot no sviras atstarotā lāzera starojuma pozīciju.

Zondes pozicionēšanai tiek izmantots apgrieztais pjezoelektiskais efekts (piezoelectric effect) – parādība, kurā ar elektriskā lauka iedarbību ir iespējams deformēt kristālu, tādējādi regulējot zondes un parauga virsmas savstarpējo novietojumu.

Skenējošās zondes mikroskopiem eksistē vairāki desmiti realizācijas veidu atkarībā no mērāmā fizikālā lieluma. Galvenās pētniecības metodes ir STM, AFM un SNOM.

Vēsturiski pirmā radusies STM. Tā kā metodes pamatā ir elektriskās strāvas mērījumi, to var pielietot tikai elektrovadošu materiālu pētījumos. Tādējādi STM zonde arī jāizgatavo no vadoša materiāla, tipiski, volframa, platīna-irīdija sakausējuma vai zelta. Lai nodrošinātu augstāku izšķirtspēju, zondei nepieciešams smails gals, kas ideālā gadījumā sastāv no viena atoma. Tuneļstrāvas efekts ir ārkārtīgi jutīgs no attāluma starp zondes smaili un paraugu virsmu, tādēļ mikroskopu nepieciešams izolēt no apkārtējām vibrācijām. Pastāv vairākas skenējošās zondes mikroskopu modifikācijas, kas izstrādātas uz STM pamata, piemēram, fotonu skenējošā mikroskopija (photon scanning microscopy, PSTM), spinu polarizācijas skenējošā tuneļmikroskopija (spin polarized scanning tunneling microscopy, SPSTM) un citas. Pastāv arī STM metodes, kurās zondes smaile tiek izmantota, lai veiktu manipulācijas parauga topogrāfijā, piemēram, lai izgulsnētu metālisku elementu atomus uz virsmas, kas kalpotu kā elektriskie kontakti nanotehnoloģijās.

AFM ir otra lielā skenējošās zondes mikroskopijas metožu kopa. Līdzīgā veidā kā vinila plašu atskaņotājos diska viļņveidīgos celiņus “nolasa” adata, AFM tiek izmantota mikroskopiska zonde, kas “sajūt” parauga virsmas reljefu. AFM var izmantot gan strāvu vadošu, gan nevadošu materiālu pētījumos. AFM galvenie pielietojumi ir mijiedarbības spēku noteikšana atkarībā no attāluma starp parauga virsmu un zondi, topogrāfisku virsmas attēlu veidošana un parauga īpašību manipulācijas nanomērogā.

SNOM ir skenējošās zondes paveids, kurā par zondi kalpo optiskā šķiedra, caur kuru tiek fokusēts lāzera starojums. Miniatūrais gaismas avots tiek novietots ļoti mazā attālumā no pētāmā parauga. Tādā veidā ir iespējams pārvarēt optiskās mikroskopijas izšķirtspējas ierobežojumu, ko uzliek izmantotās gaismas viļņa garums. Bez augstas izšķirtspējas virsmas attēlu iegūšanas šo metodi var pielietot, lai veiktu optiskās spektroskopijas eksperimentus ar telpisku izšķiršanu nanomērogā.

Skenējošā zondes mikroskopija ir relatīvi jauna mikroskopijas apakšnozare, jo tās attīstībai bija nepieciešama izpratne par notiekošajiem procesiem kvantu pasaulē, kā arī iestrādes nanotehnoloģijās.

Zondes mikroskopijas metožu uzplaukums bija vērojams 20. gs. 80. gados. Pirmo STM mērījumu 1981. gadā Šveicē veica IBM pētnieki Gerds Binnings (Gerd Binning) un Heinrihs Rorers (Heinrich Rohrer). Jaunā metodika bija pavērsiena punkts nanotehnoloģiju jomā. Ievērības cienīgs ir IBM fiziķu Donalda Aiglera (Donald Eigler) un Erharda Šveicera (Erhard Schweizer) 1990. gada raksts žurnālā Nature, kurā parādīts, ar STM zondi pozicionējot atsevišķus ksenona atomus, uz niķeļa kristāla virsmas izveidots uzraksts “IBM”.

1985. gadā šveiciešu fiziķi G. Binings, Kristofs Gerbers (Christoph Gerber) un amerikāņu zinātnieks Kelvins Kveits (Calvin Forrest Quate) sadarbojās AFM izstrādē. Pirmo komerciālo AFM produktu 1989. gadā sāka ražot uzņēmums Park Scientific Instruments.

Publikācijas par ievērojamu izšķirtspējas uzlabojumu tuvā lauka optiskajās ierīcēs, kas aizsāka SNOM metodiku, parādījās 1984. gadā. Metode ir piemērota ne tikai materiālu raksturošanai, bet arī bioloģisku sistēmu pētījumiem.

Skenējošās zondes mikroskopijas nākotne ir atkarīga no metožu turpmākās attīstības un ražotāju iespējām radīt lietotājiem draudzīgas sistēmas. Trūkums salīdzinājumā ar optiskās un elektronu mikroskopijas metodēm ir tas, ka mērījumi norisinās lēnāk, jo virsmas tuvumā tiek pakāpeniski pārbīdīta mikroskopiska zonde.

Pielietojumiem svarīgi ir tas, ka zondes var lietot gan kā sensorus mērījumu veikšanai, gan arī kā aktuatorus manipulāciju veikšanai ar pētāmo objektu. Tas paver plašas iespējas materiālzinātnē, nanotehnoloģijās, bioloģijā, medicīnā un citās nozarēs.

Paralēli tiek attīstītas jaunas skenējošās zondes mikroskopjas realizācijas, lai iegūtu daudzpusīgāku informāciju par objektu īpašībām nanomērogā, piemēram, termiskā skenējošās zondes mikroskopijas tomogrāfija (thermal scanning probe microscopy imaging), mikroviļņu mikroskopija (microwave microscopy) un citas. Perspektīvi būtu arī izstrādāt sistēmas, kurās tiktu apvienota vairāku veidu mikroskopu funkcionalitāte vienā iekārtā.

Skenējošās zondes mikroskopus izstrādā un izmanto pasaulē vadošajās materiālu fizikas, cietvielu fizikas, nanofizikas un nanotehnoloģiju pētniecības iestādēs. Nozīmīgākās pētniecības grupas ir Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā (Massachusetts Institute of Technology) Amerikas Savienotajās Valstīts, Kembridžas Universitātē (University of Cambridge) Lielbritānijā, Maksa Planka biedrības (Max Planck Gesellschaft) institūtos Vācijā un citur.

Žurnāli, kuru tematika ir centrēta dažādos mikroskopijas aspektos, ir Microscopy Research and Technique (kopš 1992. gada; izdevējs John Wiley & Sons Inc.) un Ultramicroscopy (kopš 1975. gada; izdevējs Elsevier BV).

Nozīmīgākie pētnieki skenējošās zondes mikroskopijā ir G. Binnings un H. Rorers, kuri par STM izstrādi 1986. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.