通用型原子力显微镜可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构，通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件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。将一对微弱力敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。
通用型原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种高分辨率的表面形貌测量仪器，能够以原子或分子尺度观察表面结构，包括纳米和微米尺度的表面形貌、表面物理性质（原子间间距、力常数等）和化学性质（表面反应、化学识别等）。AFM是一种非接触式扫描探针显微镜，利用扫描探针对样品表面进行扫描，通过探针与样品表面的相互作用力（如范德华力、静电力、磁力、化学键等）进行感应和反馈，实现对表面形貌、物理性质的高分辨率测量。AFM因其高分辨率、高灵敏度、多种表面分析模式和适用范围广等特点，被广泛应用于纳米科学、材料科学、生物医学和环境科学等领域。
一、AFM的原理及特点
1、扫描
AFM原理是基于探针扫描样品表面，利用扫描探针与样品表面的相互作用力（如范德华力、静电力、磁力、化学键等）进行感应和反馈，实现对表面形貌、物理性质的高分辨率测量。
2、非接触距离控制
AFM是一种非接触式扫描探针显微镜，其测量原理与STM（扫描隧道显微镜）不同，不需要使探针与样品接触，因此不会对样品表面产生损伤，同时也可以测量非导体材料。AFM的距离控制是通过对样品和探针之间施加一个驱动力，使其保持在一定的非接触距离（通常是几个纳米到几十纳米），以避免探针碰触样品表面而造成伤害。
3、高分辨率
AFM的分辨率一般在亚纳米尺度，能够观察到物质的原子和分子结构，从而为纳米科学的发展提供了强有力的工具。
4、多种表面分析模式
AFM不仅可以测量样品表面形貌，还可以通过不同的表面分析模式，如接触模式、非接触模式、侧向力模式、resonance模式等，研究样品的物理性质、化学性质和力学性质等方面的信息。
5、适用范围广
AFM可以应用于大量不同类型和形状的样品，包括金属材料、半导体、有机材料、生物材料和复杂体系等。同时，AFM样品的制备和处理也相对简单。因此，AFM被广泛应用于纳米科学、材料科学、生物医学和环境科学等众多领域。
二、AFM的工作模式
AFM有多种工作模式，每种模式都有其特殊的应用场合。主要的工作模式包括：接触模式、非接触模式、侧向力模式、resonance模式、磁力显微镜模式等。
1、接触模式
接触模式是AFM中最容易操作的一种工作模式。在接触模式下，探针与样品表面产生接触，并随探针与样品之间的相互作用力一起在样品表面上扫描。样品表面粗糙程度越大，在接触过程中产生的力也越大，因此接触模式可以用来测量表面形貌、表面硬度、磁力和弹性等性质。由于接触模式探针需要接触样品表面，因此在对某些脆弱样品（如羟基磷灰石晶体等）的测量中，可能会导致样品的结构损坏。
2、非接触模式
非接触模式是AFM中比较常用的一种工作模式，其主要特点是探针与样品表面没有接触，因此避免了接触模式中因探针与样品接触而对样品形貌造成的干扰。非接触模式主要测量静电场或Van derWaals力等非接触力的变化，然后调整探针距离，以保持探针与样品表面的非接触状态。非接触模式的主要应用场效包括观察高硬度和脆弱的材料、确定材料表面的自然晶面、测量电介质材料和离子常数等。
3、侧向力模式
侧向力模式是AFM中用于察看样品表面摩擦性、弹性和粘性等性质的一种工作模式。在侧向力模式中，探针悬挂在样品表面，探针上部含有一个折射镜，这个折射镜将悬挂在上面的探针的振动传感器映射到试验器的光学分析仪上。当探针与样品表面的接触时，所产生的摩擦力将被探针传感器测量，然后将探针和样品表面相对移动，测量摩擦力的方向和大小。
4、Resonance模式
Resonance AFM是一种基于微机械标准悬挂体（MEMS）的AFM技术。Resonance AFM的主要思想是利用微悬挂体的固有振动特性来借助扫描探针与样品表面之间的相互作用力进行激励或检测样品表面形貌或物理性质的变化。这种AFM模式的优点是能够通过振动模态的选通来控制扫描探针与样品表面的相互作用，从而获得不同分辨率的图像。Resonance AFM还可以在宽响应频率范围内精确地测量样品的刚度和阻尼系数等参数。
5、磁力显微镜模式
磁力显微镜模式是一种基于磁性探头的AFM测量技术。磁力显微镜模式通过在探针悬挂一个微小的磁体或在探针上覆盖一个具有磁性的材料，利用磁力与磁性相互作用的方式来探测样品表面的磁性特征。这种AFM模式特别适用于研究磁性薄膜、单一纳米磁颗粒、磁性材料的磁畴结构、磁介质的磁性响应等。
三、AFM的应用及展望
1、材料科学
材料科学作为AFM应用的重点领域之一，主要涉及到材料的表面形貌、力学和磁学性质等方面的研究。AFM技术广泛应用于材料的表面形貌和力学性质的研究，包括薄膜生长、材料的表征和制备等方面的研究。AFM提供的高分辨率、高灵敏度和多种表面分析模式使其在材料科学的研究中具有广泛的应用前景。
2、生物医学
AFM技术在生物医学领域的应用主要涉及到纳米生物结构的测量和分析、生物分子的识别和操作、细胞力学性质的探索等方面。AFM被广泛应用于细胞的成像、细胞外基质的分析、生物材料的力学性质和微纳米机器的研究等方面，具有重要的生物研究价值。
3、环境科学
AFM在环境科学中的应用范围也非常广泛，主要包括环境污染物的分析、纳米尺度的环境监测和表面超分子自组装的研究。AFM可以用于污染物的表征、空气中颗粒物的监测、水中重金属和有机污染物的检测等方面，具有广泛的应用前景。
未来，随着 AFM 技术的不断发展完善，其在材料科学、生命科学、环境科学等领域的应用将越来越广泛。并且，随着纳米材料的应用不断扩大和发展，对 AFM 技术的需求和应用会越来越多，AFM 技术的研究和发展也将日趋重要。
通用型原子力显微镜有三种基本操作模式，可区分为接触式、非接触式及轻敲式三大类。
1、接触式：利用探针的针尖与待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，使非常软的探针臂产生偏折，此时用特殊微小的雷射光照射探针臂背面，被探针臂反射的雷射光以二相的photodiode(雷射光相位侦检器)来记录雷射光被探针臂偏移的变化，探针与样品间产生原子间的排斥力约为10-6至10-9牛顿。
2、非接触式(Non-contactmode)：为了解决接触式AFM可能损坏样品的缺点，便有非接触式AFM被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力─范德华力来运作。Non-contactmode的探针必需不与待测物表面接触，利用微弱的范德华力对探针的振幅改变来回馈。探针与样品的距离及探针振幅需遵守范德华力原理，因此造成探针与样品的距离不能太远，探针振幅不能太大(约2至5nm)，扫描速度不能太快等限制。样品置放于大气环境下，湿度超过30%时，会有一层5至10nm厚的水分子膜覆盖于样品表面上，造成不易回馈或回馈错误。
3、轻敲式AFM(Tappingmode)：将非接触式AFM加以改良，拉近探针与试片的距离，增加探针振幅功能(10～300KHz)，其作用力约为10-12牛顿，Tappingmode的探针有共振振动，探针振幅可调整而与材料表面有间歇性轻微跳动接触，探针在振荡至波谷时接触样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，再利用回馈控制方式，便能取得高度影像。
