Pour rendre visible la matière à l'échelle nanométrique, il faut des microscopes spéciaux. Les nanomatériaux sont trop petits pour les détecter avec des microscopes habituels (un microscope optique par exemple). Pour générer des images d'objets nanométriques, on met donc en œuvre des microscopes à champ proche, aussi appelés microscopes à sonde locale (en anglais: Scanning Probe Microscope - SPM).

Dans ces microscopes, un capteur minuscule (appelé «sonde») pénètre dans une zone prédéfinie, le «champ», située au dessus de la nanomatière (appelée «échantillon» [«probe» en anglais]). Des forces précises agissent entre le matériau et la pointe du capteur. Le capteur détecte et mesure ces forces. En tout point situé dans le champ prédéfini, le capteur mesure la force entre sa pointe et l'échantillon. Il en résulte un schéma de forces qu'un ordinateur convertit en une image.

Il existe différents types de microscopes à champ proche. Ils diffèrent par les types de forces engendrées entre le nanomatériau et le capteur du microscope. Les deux microscopes les plus importants pour les nanotechnologies sont le microscope à balayage à effet tunnel et le microscope à effet de force.

Le microscope à balayage à effet tunnel

Dans le microscope à balayage à effet tunnel (en anglais: Scanning Tunnelling Microscope - RTM), on applique une tension électrique entre la pointe du capteur et la surface de l'échantillon. Cette tension permet à un courant de circuler entre l'échantillon et le capteur, c'est le courant tunnel. L'écart entre la pointe du capteur et la surface de l'échantillon n'est que de quelques nanomètres. Chaque fois que cet écart subit les plus petits changements qui soient, l'intensité du courant tunnel change.

Les irrégularités superficielles à la surface de l'échantillon agissent sur cet écart. En mesurant l'intensité du courant, il devient possible de déterminer l'écart en tout point dans le champ prédéfini. L'ordinateur génère ainsi une image représentant la structure superficielle de l'échantillon et du nanomatériau. 

L'invention du microscope à balayage à effet tunnel a posé la pierre fondatrice sur laquelle d'autres microscopes à champ proche ont été développés. Le microscope à balayage à effet tunnel a été inventé à l'Institut de recherche d'IBM de Rüschlikon par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer. Cette invention leur a valu le Prix Nobel en 1986.