原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)是一種具有原子分辨率的表面形貌、電磁性能分析的重要儀器。1981年，STM（scanning tunneling microscopy, 掃描隧道顯微鏡）由IBM-Zurich 的Binnig and Rohrer 發明。1982年，Binnig首次觀察到原子分辨圖Si(7x7)。1985年，Binnig, Gerber和Quate開發成功了首臺AFM（atomic force microscope, 原子力顯微鏡）。在表面科學、納米技術領域、生物電子等領域， SPM（scanning probe microscopy）逐漸發展成為重要的、多功能材的材料表征工具。
STM 要求樣品表面導電，而AFM可以測試絕緣體的表面形貌和性能。因為STM的基本原理是通過測量探針與樣品表面的隧道電流大小來探測表面形貌，而AFM是測量探針與樣品表面的相互作用力。AFM由四個部分組成：機械運動部分、懸臂偏轉信號光學檢測系統、控制信號反饋系統， 成像和信息處理軟件系統。探針與樣品之間的相互作用力使微懸臂向上或向下偏轉，利用激光將光照射在懸臂的末端，反射光的位置改變就用來測器此懸臂的偏移量，這種檢測方法最先由Meyer 和Amer提出。機械部分的運動（探針上、下以及橫向掃描運動）是有精密的壓電陶瓷控制。激光反射探測采用PSD。反饋和成像系統控制探針和樣品表面間距以及最后處理實驗測試結果。
原子力顯微鏡AFM操作模式
隨著AFM技術的發展，各種新應用不斷涌現。具體包括如下技術:
(1) 接觸模式 (contact mode) 最早的模式，探針和樣品直接接觸，探針容易磨損，因此要求探針較軟，即懸臂的彈性系數小，一般小于1N/m。
(2) 輕敲模式 （tapping mode)也叫Dynamic Force或者Intermittant-contact。探針在外力驅動下共振，探針部分振動位置進入力曲線的排斥區，因此探針間隙性的接觸樣品表面。探針要求很高的懸臂彈性系數來避免與樣品表面的微層水膜咬死。Tapping mode對樣品作用力小，對軟樣品特別有利于提高分辨率。同時探針的壽命也較contact mode的稍長。
以上是最常用的AFM模式，別的模式還有很多：如
Lateral Force Microscopy（橫向力顯微鏡，檢測樣品表面微區對探針橫向的摩擦力，可以獲得材料的力學性能），
Noncontact mode Force（非接觸模式顯微鏡，與tapping mode基本相同，區別是非接觸模式探針工作在力曲線的吸引區），
Force Modulation （力調制顯微鏡，探針對檢測樣品表面微區有很大的力，可以獲得材料微區的彈性系數等力學性能），
CFM chemical force microscopy
EFM electric force microscopy
KFM Kelvin force microscopy
MFM magnetic force microscopy
SThM Scanning thermal microscopy
SCM Scanning capacitance microscope
SCPM Scanning chemical potential microscope
SEcM Scanning electrochemical microscope
SICM Scanning ion conductance microscope
SKPM Scanning Kelvin probe microscope
SThM Scanning thermal microscope
STOS Scanning tunneling optical spectrometer
各種模式和應用要求性能各異的探針，而探針的性能指標是決定顯微鏡分辨率的最關鍵的因素。