扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)自问世以来,就被广泛地应用于各种领域。但现有的STM存在局限性,它本身的分辨率极高,以至于任何微小的干扰(如声音、振动、热漂移、电涨落等)都会对其成像造成巨大的影响,所以几乎所有的STM都需要工作在隔音、隔震、热稳定这样的高静态环境。但是高静态的工作环境和复杂的操作却限制了其更为广泛的应用空间,因此高静态环境和更为广泛的应用空间是STM的一对矛盾体,对高静态环境的突破也是对STM应用领域的突破。本文研制的高刚性STM能够突破高静态环境的限制,在恶劣环境下得到原子分辨率图像。这款STM系统分为镜体、电路和控制系统三个部分,也是本文的主要工作内容:(1)自主设计和制作的高刚性扫描隧道显微镜镜体。通过大量的分析和对比,我们设计的镜体采用大推力的压电马达和独立的微型扫描头构成,这种结构正是STM能够克服非高静态环境的影响实现原子级分辨率图像关键所在。它具备结构紧凑体积小,推力大精度高等优点,理论上足以应用在强磁场、大噪声、溶液等各种非高静态环境中。在对镜体进行测试后,得到了石墨样品在大气环境中的原子图像,证实了对于镜体结构设计的正确性。(2)自行设计和制作的扫描隧道显微镜的整体电路。为了配合自制镜体使用,我们设计了对应的三部分电路,除了电源电路和高压驱动电路外,还有最为关键的前置放大电路,可以达到超高的电流分辨率,我们独特的制作电路的方式也大大减少了电路的噪声和漏电流干扰。(3)自行设计和开发的控制系统和软件。为了生成镜体中压电惯性马达的特殊驱动信号,自行搭建了一台控制器,并依据控制器的运行环境开发出一款集马达步进、扫描成像、数据存储和谱测量功能于一体的软件。