原子力顯微鏡是SPM家族中應用領域Z為廣泛的表面觀察與研究工具之一。由于其不僅能從原子尺度上對導體、半導體表面進行成像，而且能獲得諸如玻璃、陶瓷等非導電體材料的表面結構，并能在真空、大氣和水中無損地直接觀察物體。因此，盡管原子力顯微鏡問世時間很短，其應用理論與技術現(xiàn)已得到迅猛發(fā)展，在材料科學、生命科學以及表面科學等領域中有著廣闊的發(fā)展前景。

原子力顯微鏡應用于表面形貌觀測

　　隨著納米科學技術的興起與發(fā)展，常規(guī)顯微鏡由于本身的局限越來越不能勝任微觀領域的形貌觀察及分析。而基于掃描隧道顯微鏡基本原理發(fā)展起來的原子力顯微鏡無疑為材料的微觀形貌觀察起到了根本性的推動作用。

　　原子力顯微鏡是基于原子間相互作用力的測定，而不受樣品導電性的影響，其研究對象幾乎不受任何局限，所以利用原子力顯微鏡能較好地實時觀測被測表面的三維立體圖象。當一根十分尖銳的微探針在縱向充分逼近樣品表面至數(shù)納米更小間距時，微探針的原子和樣品表面的原子之間將產生相互作用的原子力。

　　原子力的大小與間距之間存在一定的曲線關系。在間距較大的起始階段，原子力表現(xiàn)為引力，隨著間距的進一步減小，由于價電子云的相互重疊和兩個原子核的電荷閱相互作用，原子力又轉麗表現(xiàn)為斥力，該排斥力隨著間距的縮短而急劇增大。因此，原子力顯微鏡通過檢測原子間的作用力，利用原子力與間距之間的關系曲線，可獲得樣品表面真實而豐富的微觀形貌圖象。

　　由于原子力顯微鏡具有原子級高分辨率，且放大倍率連續(xù)可調，探測過程中對樣品表面無損傷，不需要高真空的必要工作條件，且體積小、成本低、性價比高，綜合指標與其它常規(guī)顯微手段相比優(yōu)勢明顯。其突出優(yōu)點是：不僅適用于導體、半導體、絕緣體樣品，還可應用于真空、大氣以及液體環(huán)境。

原子力顯微鏡應用于納米壓痕試驗

　　納米壓痕又稱深度敏感壓痕技術，是近幾年發(fā)展起來的一種新技術，它可以在不用分離薄膜與基底材料的情況下直接得到薄膜材料的許多力學性質，例如彈性模量、硬度等。

　　材料硬度的測試原理起源于1881年Hertz的壓痕測定法，但該測定法受到所加負載大小與壓痕邊沿質量之間矛盾的限制，對于薄膜材料的測定很不精確。1992年Oliver和Pharr提出用納米量級壓痕的負荷位移關系測試和分析材料的機械力學性質，特別是薄膜材料的顯微硬度的新方法。采用Oliver-Pharr方法，微小壓痕的深度只要達到幾個納米，就能從壓痕的各項數(shù)據(jù)中推算出材料的顯微硬度。這樣就避免了壓痕邊沿碎裂、襯底影響等傳統(tǒng)檢測硬度技術的種種缺點，使得測量膜厚很小的薄膜材料的顯微鏡硬度成為可能。除此之外，使用這種新方法，還能根據(jù)壓痕過程的加載和卸載曲線，研究材料的彈性模量。

　　在Oliver-Pharr方法中，金剛石壓頭壓人材料表面的壓人深度的位移(壓人位移)，隨所加負荷的增加而單調增加，同時，在待測樣品的彈性限度內壓頭與材料表面的接觸面積也之增加。因此，在一個完整的加載-卸載測量周期中，可獲得所需的壓痕數(shù)據(jù)，從而導出顯微硬度和彈性模量。

　　實驗表明，由原子力顯微鏡測量的納米級硬度值要大于由傳統(tǒng)硬度測試儀所測量值，同時，隨著AFM壓入載荷的減小，納米級硬度值呈現(xiàn)出增加的趨勢。

　　原子力顯微鏡(AFM)秉承了掃描探針顯微鏡(SPM)家族的優(yōu)異性能，不但在原子級形貌觀測方面起不可替代的作用，同時憑借著測量中對力的極端敏感性，原子力顯微鏡還可以測量表面納米尺度范圍內的力學性質，例如磨損量，納米潤滑層的厚度，摩擦力和摩擦系數(shù)等。這些都將成為原子力顯微鏡應用的一種擴展，將極大地推動納米摩擦學的研究。