Heb vier jaar lang mijn PhD onderzoek gedaan aan STM, dus weet er wel iets van. (Tot zover de authority argument...)
Bij STM kun je aan het oppervlak zowel een negatieve als een positieve spanning zetten. Indien de naald en het oppervlak beiden van metaal zijn, dan zal er niet veel verschil zijn in resultaat. De elektronenstroom zal natuurlijk de andere kant opgaan, maar datgene dat je daadwerkelijk meet, de hoogte waarop je je naald moet houden om een constante stroomsterkte te meten, zal niet veel afwijken.
Het variëren van spanning wordt pas interessant indien je bijvoorbeeld moleculen op het oppervlak zet, waarbij de elektronen in een bepaald orbitaal zitten (of kunnen zitten) waar een specifiek energieniveau bij hoort. Dit wordt altijd gemeten t.o.v. het zogenaamde Fermi niveau. Dit is de energie tot waar elektrontoestanden gevuld zijn. Als je met een STM meet met hele lage spanning, dan meet je geleiding door de elektrontoestanden rondom dit Fermi niveau. Indien je een (grote) negatieve spanning aanlegt op je oppervlak t.o.v. de naald, dan meet je de geleiding door de elektrontoestanden onder het Fermi niveau (de gevulde toestanden die leegstromen naar de naald), en wanneer je een (grote) positieve spanning aanlegt op je oppervlak t.o.v. de naald, dan meet je de geleiding door de elektrontoestanden boven het Fermi niveau (de ongevulde toestanden die aangevuld worden vanuit de naald).
Een andere toepassing van het gebruiken van positieve en negatieve spanningen is
IETS. Hierbij meet je een toename in de geleiding indien elektronen voldoende energie hebben om een vibratie in een molecuul aan te kunnen slaan. In het Wikipedia artikel wordt dit wat verder uitgelegd. Aangezien het hier om heel kleine toenames gaat, is deze meting erg ruisgevoelig. Bij deze meting zal er echter altijd een positieve piek zijn bij positieve spanning en een negatieve piek bij negatieve spanning in de grafiek van de tweede afgeleide naar de stroom tegen de spanning. Dit is dan een aanwijzing voor het bestaan van een vibratie in het molecuul met die welbepaalde energie.
Op de vraag waarom het tunnelen bevorderd wordt door het aanleggen van een spanning over naald en oppervlak: elektronen kunnen alleen bewegen van een gevulde naar een ongevulde toestand. Wanneer een naald dichtbij het oppervlak wordt gezet en er is geen spanning over, dan zullen de Fermi niveaus van beide (naald en oppervlak) gelijk zijn. Dit betekent dat een elektron dat uit de naald wil tunnelen, uit een toestand onder het Fermi niveau moet komen, maar hier zijn in het oppervlak geen lege toestanden meer. Door het aanleggen van een potentiaalverschil, verschuif je het Fermi niveau van de naald en oppervlak t.o.v. elkaar, waardoor er opeens wel mogelijkheden zijn om te kunnen tunnelen van een gevulde naar een ongevulde toestand. Hoe hoger het potentiaalverschil, hoe breder de energieband waarin elektronen zitten die kunnen tunnelen. Belangrijk hierbij is dat elektronen elastisch tunnelen, dat wil zeggen: geen energie verliezen of krijgen tijdens het tunnelen.
.
