原子力显微镜通过探针与样品表面原子间的微弱相互作用力实现纳米级成像，其核心原理可拆解为三大技术模块：
1. 力学探测系统
AFM原子力显微镜的“触觉”由微悬臂-探针组合实现。微悬臂通常为100-500μm长的硅或氮化硅片，厚度仅500nm-5μm，前端集成纳米级针尖（直径几至几十纳米）。当探针接近样品时，原子间作用力（如范德华力、静电力、磁力）导致悬臂发生弯曲或振动。这种微小形变通过激光光杠杆技术检测——激光束照射悬臂末端，反射光经四象限光电探测器捕获偏移量，将机械信号转化为电信号。
2. 反馈控制机制
为维持探针-样品间作用力恒定，系统采用闭环反馈控制。探测器信号与预设值比对后，通过压电陶瓷管（PZT）调整样品Z轴位置，使悬臂形变保持稳定。扫描过程中，X-Y方向压电陶瓷驱动探针作光栅扫描，同步记录Z轴调整量，*终生成样品表面的三维形貌图。该模式称为“恒力模式”，适用于表面起伏较大的样品；若样品极平滑，可采用“恒高模式”直接记录悬臂偏转量，提升扫描速度。
3. 多模式成像策略
原子力显微镜提供三种基础工作模式以适配不同样品特性：
接触模式：探针持续轻触样品表面，适合硬质材料（如金属、陶瓷），分辨率高但可能损伤软质样品。
非接触模式：探针在表面上方振动（距样品几至几十纳米），通过检测范德华力等长程力成像，避免接触损伤，但分辨率较低，易受环境湿度影响。
轻敲模式（Tapping Mode）：探针以共振频率（10-300kHz）振幅振动，间歇性轻触表面。此模式平衡了分辨率与样品保护，广泛用于生物大分子、聚合物等软质样品，且可在液相环境中工作，保持样品活性。
结构组成与扩展功能
AFM原子力显微镜系统由力检测、位置检测、反馈控制三部分构成。除基础形貌成像外，通过功能化探针可实现多物理场表征：如磁力显微镜（MFM）探测磁畴结构，压电力显微镜（PFM）分析铁电材料电畴，开尔文探针力显微镜（KPFM）测量表面电势分布。在材料科学领域，AFM原子力显微镜可定量纳米力学性质（如杨氏模量、粘附力），在生物领域则能无标记观测细胞、DNA的纳米结构及力学特性。
AFM原子力显微镜突破传统显微镜对样品导电性的限制，适用于绝缘体、生物组织等广泛材质。其横向分辨率达0.1-0.2nm，纵向分辨率0.01nm，可在大气、真空或液相环境中工作。从半导体缺陷分析、纳米材料合成到活细胞动态观测，原子力显微镜已成为纳米科技、生物医学、材料研究的核心工具，持续推动着微观世界的探索边界。