原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的扫描探针显微镜技术，由Gerd Binnig、Heinrich Rohrer和Calvin Quate于1986年共同发明。AFM利用微悬臂上的尖细探针与样品表面之间的相互作用力来探测样品的表面形貌和物理性质，具有原子级的分辨率。
原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
原子力显微镜的主要构成组件包括探针、探针定位与扫描装置、作用力检测部分、反馈控制单元等。探针材料需选择较硬的金属，钨丝是最常用的材料，经过电化学腐蚀和聚焦离子束切削加工后，可获得尖端半径更小的探针。
●非接触式（Non-contact mode）：在非接触模式中，针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。
●轻敲式（Tapping mode）：轻敲式模式中，针尖以一定的频率和振幅在样品表面振动，始终不与样品接触。探测器检测的是针尖受迫振动时的共振频率和振幅变化，从而获得样品的表面形貌信息。
●高空间分辨率：AFM能够提供原子级别的空间分辨率，尤其是在理想条件下，可以观察到单个原子的排列和结构。
●非破坏性测量：AFM的测量过程是非破坏性的，这意味着样品在测量过程中不会被改变或损坏，这对于研究脆弱的生物样品和软物质尤为重要。
●广泛的样品适用性：AFM可以用于各种类型的样品，包括导电和非导电材料，固体和液体环境，以及在室温和低温条件下的样品。
●多功能性：AFM不仅可以用于形貌成像，还可以进行力学性质（如硬度、弹性模量）的测量，以及电学性质（如导电性和局部电势）的表征。
●动态和静态测量：AFM能够进行动态（如轻敲模式）和静态（如接触模式）测量，这使得它能够适应不同的测量需求和样品特性。
●环境适应性：AFM可以在不同的环境条件下工作，包括高湿度、高温、低温以及各种化学氛围中，这使得它在材料科学和工业应用中非常有用。
●样品制备简单：与某些需要复杂样品制备的表征技术相比，AFM通常不需要复杂的样品制备过程。
●可与其他技术联用：AFM可以与其他表征技术联用，如拉曼光谱、红外光谱等，以提供更全面的样品信息。
电化学沉积过程研究：AFM可以原位研究电化学的沉积过程，揭示电化学反应机理。例如，中国科学院化学研究所的研究团队利用电化学原子力显微镜（EC-AFM）原位研究了金属锂（Li）、铟（In）以及Li-In合金在充放电反应中的电极过程，揭示了金属Li沉积/溶解的动态演化以及合金电极的微观调控机制。
金属腐蚀过程研究：AFM可以原位研究金属腐蚀过程，有助于解决金属腐蚀机理。通过AFM，研究人员可以在纳米尺度上观察金属表面的腐蚀行为，从而更好地理解腐蚀过程和开发防护措施。
锂电池充放电过程研究：结合手套箱，AFM可以原位研究锂电池充放电过程，有利于提高电池效率。北京航空航天大学物理学院的研究团队利用自主研制的电化学高速原子力显微镜，实现了锂离子电池电极材料在快速充放电过程中的动态探测成像，并具有纳米级分辨率。
固体电解质界面（SEI）层研究：AFM用于研究高容量锂离子阳极，帮助了解SEI层的演变和降解，这种演变和降解限制了电能密度和电池寿命。在阴极处，AFM可以量化成分分布，表征导电率变化，并精准确定限制电池容量的非活性金属氧化物晶粒。
电化学反应活性测量：在存在电解质的情况下，AFM能够原位测量局部电化学活性和表面导电率，这对于表征其他能量存储和转换方法（如超级电容器、燃料电池和太阳能）也同样有用。
电催化过程研究：AFM可以提供关键的结构信息，甚至原子分辨率，并且与电催化条件兼容。电化学STM/AFM（EC-STM/AFM）可以通过原位/工况监测电催化过程中的表面结构。
纳米尺度形貌和电化学行为表征：AFM与扫描电化学显微镜（SECM）的联用解决了样品形貌的成像及成像扫描过程中探针与样品实际距离控制的问题，可以得到更高分辨率的局部电化学信号。
具有较大比表面的材料AFM图
AFM原位观察纤维素酶原位
