První úspěšnou realizací SPM byla mikroskopie tunelovacího proudu (Scanning Tunneling Microscopy – STM) v roce 1981. Její autoři o pět let později obdrželi Nobelovu cenu. Mikroskopie je založena na monitorování proudu, který protéká mezi vodivým hrotem a vodivým vzorkem, aniž by byly v přímém mechanickém styku. Mezi oběma kovy se vytváří energetická bariéra (energie elektronů v kovu jsou vždy nižší než ve vakuu a jsou charakterizovány Fermiho energií EF), kterou elektrony dle klasické teorie nemohou proniknout. Z hlediska kvantové interpretace však pravděpodobnost průchodu není nulová, ale znatelných hodnot nabývá teprve pro velmi úzké bariéry. Uvedenou pravděpodobnost T lze aproximovat vztahem
v němž m je hmotnost elektronu, E jeho energie, V(x) průběh bariéry, ℏ Diracova konstanta a t je šířka bariéry. Integrál (vyjma konstant) v rovnici lze přibližně nahradit součinem efektivní výšky a šířky bariéry. Exponenciální závislost nabízí možnost vysokého rozlišení šířky bariéry a tedy vzdálenosti mezi sondou a vzorkem. Vzhledem k velikosti konstant změna o 0,1 nm (pro bariéru 4 eV s tloušťkou 0,5 nm) vyvolá řádový pokles pravděpodobnosti tunelování. Budeme-li schopni mapovat pravděpodobnost v různých místech, můžeme měřit topografii povrchu vzorku. Protože pravděpodobnost průchodu bariérou udává i pravděpodobnost přenosu náboje, souvisí s proudem, který soustavou prochází. Možnost praktického využití závisí nyní pouze na schopnosti měřit protékající proud, který má velikost nanoampéry a méně. Takové hodnoty jsme však schopni změřit relativně přesně – tunelování lze využít k mikroskopii. Vertikální rozlišeníSTM je určeno převážně mechanickou stabilitou šířky tunelovací mezery, protože změny v topografii menší než nestability jsou účinně potlačeny. Rozlišení bývá až 1 pm.
Velikost a typ interakce působící mezi hrotem a vzorkem závisí na jejich vzájemné vzdálenosti d. Přibližně můžeme interakci rozdělit do čtyř oblastí:
| d>10 nm | zanedbatelný vliv, jen při silném poli dochází k autoemisi, při popisu lze systém uvažovat jako dvě nezávislé elektrody |
| 1<d<10 nm | velmi slabé van der Waalsovy síly, při nízkých napětích (do 5 V) netuneluje |
| 0,3<d<1 nm | výměna procházejících elektronů vede ke vzniku přitažlivosti (počátek chem. vazby), pod napětím tuneluje — vlastní režim STM |
| d<0,3 nm | převládá odpudivá interakce (plynoucí z Pauliho principu), dochází ke kontaktu, proud je určen vodivostí materiálů |
Poznámka: Již zmíněný součin efektivní výšky a šířky bariéry naznačuje, že tunelování je možno dosáhnout i snížením výšky bariéry. To lze realizovat aplikací elektrického pole, které vytvoří bariéru přibližně trojúhelníkového tvaru. Uvedená možnost je základem autoemisního iontového mikroskopu.