原子力顯微鏡是顯微鏡中的一種類型，應用范圍十分廣泛。是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。
原子力顯微鏡三種成像模式
當原子力顯微鏡成像模式的針尖與樣品表面原子相互作用時，通常有幾種力同時作用于微懸臂，其中最主要的是范德瓦爾斯力。當針尖與樣品表面原子相互靠近時，它們先互相吸引，隨著兩者間距繼續減小，兩者之間的排斥力將開始抵消吸引力，直到間距為幾個埃時，兩個力達到平衡。間距更小時，兩者之間以排斥力為主。如果讓針尖與樣品處于不同的間距，則可使原子力顯微鏡成像模式處于不同的工作模式。
原子力顯微鏡成像模式的工作模式主要有接觸模式、非接觸模式和輕敲模式。根據樣品表面不同的結構特征和材料的特性以及不同的研究需要，選擇合適的工作模式。
接觸模式
接觸模式是原子力顯微鏡的常規工作模式。在接觸模式中，針尖始終和樣品接觸，以恒高或恒力的模式進行掃描。掃描過程中，針尖在樣品表面滑動。通常情況下，接觸模式都可以產生穩定的、分辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。
在大氣環境中，由于毛細作用的存在，針尖和樣品之間有較大的粘附力，橫向掃描時施加在樣品上的額外作用力可能會造成樣品表面的損傷，而且這種粘附力的存在會增大針尖與樣品的接觸面積，降低成像的分辨率。一般有兩種解決辦法：
①粘附力與物質表面自由能直接相關，表面自由能越大，針尖與樣品間的粘滯作用越強。因此可以通過對原子力顯微鏡針尖進行表面修飾(在針尖上涂覆低表面能的材料或用自組裝單分子膜修飾針尖等)來降低其表面自由能，從而有效地降低針尖與樣品的接觸面積。
②將針尖和樣品浸入液體中，以克服毛細作用帶來的影響，同時由于減少了針尖與樣品間的相互作用力而提高成像分辨率。
如果原子力顯微鏡在掃描過程中微懸臂的方向和快速掃描的方向垂直，則針尖除了可以探測到樣品之間的垂直方向的原子力，還會由于針尖與樣品之間的摩擦力使得微懸臂橫向扭轉，這樣就可以研究樣品表面的微區摩擦性質。目前橫向力的測量已經被廣泛用于研究摩擦性質不同的多組分材料表面，如圖形化表面的化學識別等。
非接觸模式
在非接觸模式中，原子力顯微鏡針尖在樣品表面的上方振動，始終不與樣品接觸，針尖探測器檢測的是范德瓦爾斯力和靜電力等對成像樣品沒有破壞的長程作用力。這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當針尖和樣品之間的距離較大時，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。這種模式的操作相對較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應用也很少。
輕敲模式
在輕敲模式中，原子力顯微鏡微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動，振蕩的針尖輕輕地敲擊樣品表面，間斷地與樣品接觸。其分辨率和接觸模式一樣好，而且由于接觸時間非常短暫，針尖與樣品的相互作用力很小，通常為1pN(皮牛頓)～1nN(納牛頓)，剪切力引起的分辨率的降低和對樣品的破壞幾乎消失，所以適用于對生物大分子、聚合物等軟樣品進行成像研究，對于一些與基底結合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對樣品表面結構的“搬運效應”。
輕敲模式原子力顯微鏡在大氣和液體環境下都可以實現。在大氣環境中，當針尖與樣品不接觸時，微懸臂以最大振幅自由振蕩;當針尖與樣品表面接觸時，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小，反饋系統控制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏上下移動獲得形貌信息。輕敲模式同樣適合在液體中操作，而且由于液體的阻尼作用，針尖與樣品的剪切力更小，對樣品的損傷也更小，所以在液體中的輕敲模式成像可以對活性生物樣品進行現場檢測、對溶液反應進行跟蹤等。
輕敲模式原子力顯微鏡除了實現小作用力的成像以外，另一個重要的應用就是相位成像技術。通過測定掃描過程中微懸臂的振蕩相位和壓電陶瓷驅動信號的振蕩相位之間的差值來研究材料的力學性質和樣品表面的不同性質。相位成像技術可以用來研究樣品的表面摩擦、材料的黏彈性和粘附性質等，也可以對表面的不同組分進行化學識別，與橫向力顯微鏡得到的信息相近，但由于采用了輕敲模式，可以適用于柔軟、粘附性強或與基底結合不牢固的樣品，適應性更強。
輕敲模式一般是采用調制振幅恒定的方法進行恒力模式的掃描，另外也可以采用頻率調制的技術測量掃描過程中頻率的變化，這種頻率調制原子力顯微鏡的力檢測方式大大提高了噪音處理率，并大大提高了靈敏度，所以可以獲得原子級分辨率的圖像。