Rozvoj skenovací metody STM vedl ke vzniku celé řady odnoží, které jsou však již dost specializované. Zde je uveden krátký přehled několika z nich s velmi stručným popisem.
- Skenovací kapacitní mikroskopie (SCM) využívá kapacitu mezi sondou a (polo)vodivým vzorkem, která se mění v závislosti na topografii i materiálových vlastnostech dielektrik. Používá speciálních ostřených sond (drátů), případně ještě stíněných. Měří se derivace síly podle vzdálenosti při přiloženém stejnosměrném napětí, velikost rozladění rezonančního obvodu nebo vysokofrekvenční C–U závislosti. Vzhledem k využití dalekodosahových sil má metoda horší rozlišení, navíc je ovlivňována tunelujícími proudy. Metoda se používá především k mapování rozložení koncentrace dopantů v polovodičích.
- Teplotní skenovací mikroskopie (SThM) slouží k mapování teploty či teplotní vodivosti. Při měření se nad povrchem pohybuje mikrotermočlánek, který je tvořen spojením dvou kovů (např. W a Ni). Jeden z kovů je nosný a tvoří vnitřek hrotu, na něm je nanesena izolační vrstva, která hrot kryje vyjma špičky. Přes tuto vrstvu je nanesen druhý kov, takže ke spojení obou kovů dochází jen na vrcholku hrotu. Termočlánek je ohříván průchodem stejnosměrného proudu a rastruje blízko povrchu. Protože okolní vzduch má značně menší tepelnou vodivost než vzorek, nastane při přiblížení k povrchu značný pokles termonapětí. Variace v termonapětí podél povrchu odpovídají změnám v tepelné vodivosti. Aby se zabránilo teplotním driftům a vlivu okolní teploty, kmitá hrot ve směru kolmém k povrchu, tím dochází ke změně tepelného odporu a změně ochlazování, takže při stejnosměrném vyhřívání dostáváme střídavý signál. Tato metoda poskytuje rozlišení asi 30 nm, reakční doby 1 μs a citlivost na změnu teploty 1 mK. Je-li vzdálenost ke vzorku menší než střední volná dráha molekulvzduchu (66 nm), selhává modulace a zhorší se vlastnosti metody. Ale při vzdálenostech pod 10 nm nastává prudká změna v tepelné vodivosti (blízké navázání optických fononů nebo vyrovnání Fermiho hladin), jsou-li oba materiály kovové. Jsou-li různé, můžeme obdržet „tunelující“ termočlánek, v němž termonapětí slouží k měření variací v termonapětí při skenování a tunelující proud k řízení mezery. Citlivost metody je omezena tepelným šumem, k řízení mezery lze využít i šumovou mikroskopii. Při měření se stanovuje součin (∂μ)/(∂T)ΔT, kde T je teplota a μ chemický potenciál. Lze tedy použít dvě metody: buď se vytvoří teplotní gradient a měří se variace potenciálu, nebo se měří teplotní změna, způsobená například absorpcí laserového záření.
Druhou variantou této metody je vytvoření senzoru ze dvou tepelně dilatujících pásků, přičemž koeficienty jejich roztažností jsou různé. Změna okolní teploty způsobí prohnutí nosníku, které lze detekovat opticky.
- Mikroskopie iontovou sondou (SICM) používá elektrolyt v nádobce (rezervoár), do které je ponořen zkoumaný vzorek (membrána apod.). Sondou je mikropipeta s hrotovým otvorem, do níž byl nalit elektrolyt. Do roztoku v pipetě a rezervoáru jsou zavedeny elektrody a při skenování se měří iontová vodivost (resp. proud). Ta se mění v závislosti na topografii vzorku (přiblížením pipety klesne velikost mezery a tím i vodivost) a na velikosti iontového toku. Metodu lze použít pro nevodivé vzorky a je zvlášť vhodná pro zobrazování pórů v membránách (přiblížením pipety k otvoru v jinak celistvé membráně prudce vzroste počet procházejících iontů). Pro rozlišení a kvalitu zobrazení je nejdůležitějším vlivem vytvoření dostatečně robustní pipety s malým vnitřním otvorem.
- Skenovací tunelová potenciometrie (STP) se od klasické STM liší dvěma elektrodami, které jsou přiloženy na protilehlé strany vzorku s potenciálovým rozdílem ΔV. Tunelovací napětí na hrotu je střídavé a měří se tunelový proud. K měření topografie se použije střídavá složka (vzhledem k zaměření metody je vždy nutné volit režim konstantního proudu), zatímco stejnosměrná se pomocným napětím VR vyrovnává na nulu (můstková metoda). V okamžiku vyrovnání udává napětí VR okamžitou hodnotu potenciálu v daném měřicím bodě. Metodou je tedy možno stanovit rozložení potenciálu podél povrchu, což je vhodné např. pro měření pn přechodů, zkoušení polovodičových součástek, měření zrnitých materiálů či malých napěťových variací.
- Inverzní fotoemisní mikroskopie využívá tunelujících elektronů ke stimulaci emise fotonů z oblasti tunelové mezery, jde o vybuzení povrchových plazmonů neelastickým tunelováníma jejich následný rozpad. Spektra lze měřit dvěma způsoby. Buď se volí pevná frekvence analyzovaného světla a sleduje se závislost emise na tunelovacím napětí (získaná spektra odpovídají rysům v hustotě stavů, získané I–V charakteristikou), nebo je napětí konstantní a proměřuje se frekvenční spektrum.
Metoda má svou inverzi, ve které je přechod, působící jako přijímací anténa, ozařován světlem (laseru), které vyvolává proud, který je nelinearitou přechodu usměrňován a může sloužit ke kontrole vzdálenosti mezi vzorkem a hrotem. Podobně lze v mikroskopii využít tunelovací přechod k nelineárnímu směšování dvou světelných paprsků, přičemž přechod vyzařuje rozdílový signál, sloužící ke kontrole šířky bariéry – měření se obejde bez elektrických kontaktů k přechodu.
- Mikroskopie fotonapětí měří variace ve fotonapětí generovaném ozářením laserem. Jsou použity dvě nezávislé zpětné vazby, jedna sledující kmitání nosníku na frekvenci buzení piezokeramiky ωt, druhá na frekvenci střídavého napětí mezi nosníkem a vzorkem ωp. Měření je založeno na indukované elektrické síle, která závisí na V2 a tato síla (a tedy i vibrace s frekvencí ωp způsobená tímto napětím) bude nulová právě tehdy, bude-li potenciál vzorku totožný s potenciálem hrotu.
- Mikroskopie šumového napětí (SNM) se využívá pro vzorky, které vyžadují co nejmenší proud. V každém STM se objevuje šum, který pochází buď z elektroniky, nebo přímo z diskrétního tunelování elektronů. První druh šumu lze snižovat vhodnou volbou konstrukce, druhý lze využít k měření. Hrot a vzorek se ponechají bez napětí a měří se pouze kvadrát šumového tepelného napětí (výjimečně se neměří proud) v širokém frekvenčním pásu, který je úměrný odporu tunelovací bariéry. Zpravidla se měří v režimu konstantní vodivosti. Metoda je vhodná i k nezávislému řízení mezery při jiných metodách. Metoda má nízký poměr signálu k šumu, protože měřené pásmo šumu je omezeno vlastní kapacitou přechodu.
Metoda může pracovat také jako šumová potenciometrie. Budeme měřit šum v úzkém pásmu na nižších frekvencích a udržovat jeho hodnotu konstantní. Obdobně budeme měřit pásmo na vyšší frekvenci a budeme určovat jejich poměr, který je v případě bílého šumu jednotkový. Je-li přítomen šum typu 1/f, poměr není jednotka, přidáme-li však malé předpětí, lze bílého šumu docílit. V tom případě je předpětí až na znaménko přesně rovné potenciálu v místě na povrchu. Metoda je schopná měřit potenciály na úrovni μV.