原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM），是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件（探针）之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。
AFM原子力显微镜可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究，获得纳米颗粒尺寸，孔径，材料表面粗糙度，材料表面缺陷等信息，同时还能做表面结构形貌跟踪（随时间，温度等条件变化）。也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。结合仪器的各种标准操作模式以及**的附件，可在进行高分辨成像的同时，获得包括样品力学、电学、磁学、热力学等各项性能指标。
1. 表面形貌和表面粗糙度
原子力显微镜可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究，获得纳米颗粒尺寸，孔径，材料表面粗糙度，材料表面缺陷等信息，同时还能做表面结构形貌跟踪（随时间，温度等条件变化）。也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。下图表征的是样品的二维几何形貌图和三维高度形貌图。
AFM原子力显微镜的高度像可用于样品表面微区高分辨的粗糙度测量，应用合适的数据分析软件能得到测定区域内粗糙度各表征参数的统计结果，一般仪器供应商会提供配套的数据处理软件。表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq是常用的表征粗糙度的参数，其含义分别是：在所考察区域内相对中央平面测的高度偏差绝对值的算术平均值Ra，Rq是指在取样长度内，轮廓偏离平均线的均方根值，它是对应于Ra的均方根参数。计算机根据高度数据能自动计算出轮廓算术平均偏差Ra和均方根粗糙度Rq。
2. 台阶高度和纳米片厚度的测量
在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和台阶，以确定刻蚀的深度和宽度。这些在SEM 下只有将样品沿截面切开才能测量，原子力显微镜可以对其进行无损的测量。AFM原子力显微镜在垂直方向的分辨率约为0.01nm，因此可以很好的用于表征纳米片厚度。
3.相图
作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相位模式是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质，模量等。因此利用相位模式，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。值得注意的是，相移模式作为轻敲模式一项重要的扩展技术，虽然很有用。但单单是分析相位模式得到的图像是没有意义的，必须和形貌图相结合，比较分析两个图像才能得到你需要的信息。简单来说，如果两种材料从原子力显微镜形貌上来说，对比度比较小，但又非常想说明这是在什么膜上长的另外一种，这个时候可以利用二维形貌图+相图来说明（前提是两种材料的物理特性较为不同，相图有明显对比信号才行）。
4. AFM原子力显微镜成像在生物体系中的应用
有很多方法都可用于生物大分子的研究，但是，这些方法的实际应用都受到不同程度的限制，由于生物大分子的复杂性和特殊性，一些适合研究材料样品的方法例如TEM，在应用于生物样品时都遇到了难以克服的困难。原子力显微镜成像的特点在生物样品中具有突出的优势，主要包括：样品制备简单，对样品的破坏较其他技术要小的多；操作样品时无需样品导电，无需低温，真空等条件；并且能在多种环境中运作，如空气，液体等都无障碍，可以对活细胞进行接近实时的观察；能提供生物分子的高分辨三维图像；能以纳米尺度的分辨率观察局部电荷密度和物理特性，观察生物分子之间的作用力（如受体-配体）；能对单细胞，单分子进行操作，运用的相位成像，力模式等使得AFM原子力显微镜的应用在生物大分子领域做出了重大的贡献。