原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是纳米科学技术领域最重要、最基础的表征工具之一，也是扫描探针显微镜家族中应用广泛的成员。它能够在原子尺度上观测样品表面的三维形貌，测量表面粗糙度、机械性能、电学性能、磁学性能等多种物理性质，为材料科学、生命科学、半导体技术、表面化学等前沿研究提供了强有力的技术支撑，是现代科学实验室中的仪器。
原子力显微镜的工作原理基于探针针尖与样品表面之间极其微弱的相互作用力。仪器的核心部件是一个带有微小针尖的弹性悬臂，针尖半径通常在几纳米到几十纳米范围，悬臂的弹性系数很小，对力的变化非常敏感。当针尖接近样品表面时，原子间的范德华力、静电力、磁力等作用力使悬臂发生偏转。通过光学检测系统（通常是激光反射）精确测量悬臂的偏转量或共振频率变化，就可以获得针尖与样品之间作用力的信息。通过在样品表面进行光栅式扫描，记录每一点的高度信息，就可以重建出样品表面的三维形貌图。
原子力显微镜相比传统光学显微镜和电子显微镜具有独特优势。首先是分辨率高，不受光学衍射极限的限制，纵向分辨率可达0.01纳米，横向分辨率可达0.1纳米，真正实现了原子级分辨。其次是对环境要求低，可以在大气、液体、真空等各种环境中工作，特别适合生物样品和液体环境下的观测。再次是样品制备简单，不需要导电镀膜或真空处理，可以直接观测绝缘样品和软质样品。此外，AFM还可以测量多种物理性质，实现多功能表征。
原子力显微镜有多种工作模式，适应不同类型的样品和观测需求。接触模式下，探针始终与样品表面接触，通过测量悬臂的偏转获得形貌信息，适用于硬质样品的扫描，但可能对软质样品造成损伤。轻敲模式（也叫间歇接触模式或动态模式）下，悬臂以共振频率振动，针尖间歇性接触样品表面，通过测量振幅变化获得形貌信息，对样品的损伤小，适合软质样品和生物样品。非接触模式下，探针在样品上方一定高度扫描，不接触样品表面，通过测量范德华力变化获得信息，可实现无损检测，但分辨率相对较低。
除了基本的三维形貌成像，原子力显微镜还可通过特殊探针和检测模式实现更多功能扩展。导电AFM（CAFM）使用镀金属的导电探针，可以测量样品的电导率分布和局域电流-电压特性，用于研究半导体器件、导电聚合物等。力曲线模式可以测量探针接近和离开样品时的力-距离曲线，从中提取样品的弹性模量、粘附力、电荷密度等机械和化学性质。开尔文探针力显微镜（KPFM）可以测量样品的表面电势分布，用于研究功函数、电荷分布等。磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、扫描热显微镜（SThM）等模式则分别用于测量磁性、静电荷、热导率等性质。
