原子力显微镜的探针一般由悬臂梁及针尖所组成，主要原理是由针尖与试片间的原子作用力，使悬臂梁产生微细位移，以测得表面结构形状，其中*常用的距离控制方式为光束偏折技术。AFM原子力显微镜的主要结构可分为探针、偏移量侦测器、扫描仪、回馈电路及计算机控制系统五大部分。原子力显微镜探针长度只有几微米长，探针放置于一弹性悬臂(cantilever)末端，探针一般由成份Si、SiO2、SiN4、纳米碳管等所组成，当探针尖部和样品表面非常接近时，二者之间会产生一股作用力，其作用力的大小值会随着与样品距离的不同而变化，进而影响到悬臂弯曲或偏斜的程度，以低功率雷射打在悬臂末端上，利用一组感光二极管侦测器(Photo detector) 测量低功率雷射光反射角度的变化，因此当探针扫描过样品表面时，由于反射的雷射光角度的变化，感光二极管的二极管电流也会随之不同，由测量电流的变化，可推算出这些悬臂被弯曲或歪斜的程度，由输入计算机计算可产生样品表面三维空间的一张影像。
纳米碳管探针
由于探针针尖的尖锐程度决定影像的分辨率，愈细的针尖相对可得到更高的分辨率，因此具有纳米尺寸碳管探针，是目前探针材料明日之星。纳米碳管(carbon nanotube)是由许多五碳环及六碳环所构成的空心圆柱体，因为纳米碳管具有优异的电性、弹性与轫度， 很适合作为原子力显微镜的探针针尖，因其末端的面积很小，直径1～20nm，长度为数十纳米。碳纳米管因为具有很好的弹性弯曲及韧性，可以减少在样品上的作用力，避免样品的成像损伤，使用寿命长，可适用于比较脆弱的有机物和生物样品。