Das Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope, STM) ist eine wichtige Methode zur Untersuchung von Oberflächen leitender Materialien auf atomarer Skala. Die Methode beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt, der es Elektronen erlaubt, Potentialbarrieren zu durchdringen, obwohl ihre Energie dazu klassisch nicht ausreicht. In der Rastertunnelmikroskopie wird dieser Effekt zwischen einer Spitze und einer leitfähigen Probe ausgenutzt. Die Potentialbarriere stellt hierbei das Vakuum zwischen der Spitze und der Probe dar.

Durch Annäherung der Spitze an die Probe und Anlegen einer Spannung kann ein Tunnelstrom erzeugt werden. Der Tunnelstrom wird in einem elektronischen Regelkreis konstant gehalten, indem der Abstand zwischen Spitze und Probe nachgeregelt wird. Die Bildgebung erfolgt dann durch die Auslenkung der Spitze, welche der Oberflächenstruktur folgt. Dabei wird an der Position eines Atoms eine hohe Auslenkung als helle und bei einer Fehlstelle eine geringe Auslenkung als dunkle Farbe abgebildet. Durch ein Abrastern der Probenoberfläche mit der Tunnelspitze wird somit die Position von Atomen auf der Oberfläche dargestellt.

Die Rastertunnelmikroskopie bietet eine hohe vertikale Auflösung von wenigen Picometern und eine laterale Auflösung im Subnanometerbereich. Die Quantenmechanik begründet diese hohe Auflösung durch die starke Abhängigkeit des Tunnelstroms vom Abstand zwischen Spitze und Probe. Eine Veränderung des Abstands um nur 1 Å führt beispielsweise zu einer Änderung des Tunnelstroms um eine Größenordnung.

Dieser Aufbau besteht aus einem Raumtemperatur-Rastertunnelmikroskop (room temperature scanning tunneling microscope, RT-STM) in einer Ultrahochvakuum-Kammer (ultra high vacuum, UHV). Eine Möglichkeit, die Proben während der Messung zu kühlen oder heizen, besteht nicht. 

Es können Metall-Substrate als auch Halbleiter-Proben präpariert und im STM untersucht werden. Die Proben werden von einem Manipulator gehalten, der mit einem heizbaren Halter zur Präparation ausgerüstet ist, um Temperaturen von max. 1500 °C zu erhalten.  Der Manipulator kann Metall-Substrate resistiv über ein Filament und Halbleiter über Direktstrom heizen. Ferner können Metalle oder Moleküle mittels eines Elektronenstrahlverdampfers oder einer Knudsenzelle aufgedampft werden.  Des Weiteren besitzt die Apparatur auch ein LEED, womit es möglich ist Periodizitäten und Symmetrien der Adsorbat Struktur im Impulsraum zu untersuchen.

Ein weiterer UHV-Aufbau ist mit einem Rastertunnelmikroskop variabler Temperatur (variable temperature scanning tunneling microscope VT-STM) ausgerüstet. Das VT-STM bietet die Möglichkeit Proben in einem Temperaturintervall von 10-1400K zu untersuchen. Dabei wird die Messspitze auf Raumtemperatur gehalten und die Probe gekühlt oder geheizt, dadurch lassen sich temperaturabhängige Effekte untersuchen.

Diese Apparatur ist in zwei Einheiten aufgeteilt, die durch ein Schieberventil getrennt sind. Sie setzt sich zusammen aus dem Messabschnitt auf der rechten Seite mit dem VT-STM und der Präparationskammer auf der linken Seite. In der Präparationskammer steht ein Manipulator mit resistiver Probenheizung und Direktstromheizung zur Verfügung. Dort können die Proben bis 100K heruntergekühlt werden und mit einem LEED System analysiert werden. Die chemische Zusammensetzung der Proben kann über Augerelektronenspektroskopie untersucht werden.