原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下3种操作模式：接触模式(contact mode) ，非接触模式( non - contact mode) 和敲击模式( tapping mode)。

　　接触模式

　　从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。

　　非接触模式

　　非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10 nm 的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。

　　敲击模式

　　敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/ 敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM 还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。

　　三种模式的比较

　　接触模式(Contact Mode)：

　　优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。

　　缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品(如生物样品，聚合体等)。

　　非接触模式(Non-Contact Mode)：

　　优点：没有力作用于样品表面。

　　缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低;为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，on-contact Mode的使用受到限制。

　　轻敲模式(Tapping Mode)：

　　优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。

　　缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度慢。

　　其他模式

　　除了上面三种常见的三种工作模式外，原子力显微镜还可以进行下面的工作：

　　1、横向力显微镜(LFM)

　　横向力显微镜(LFM)是在原子力显微镜(AFM)表面形貌成像基础上发展的新技术之一。工作原理与接触模式的原子力显微镜相似。当微悬臂在样品上方扫描时，由于针尖与样品表面的相互作用，导致悬臂摆动，其摆动的方向大致有两个：垂直与水平方向。一般来说，激光位置探测器所探测到的垂直方向的变化，反映的是样品表面的形态，而在水平方向上所探测到的信号的变化，由于物质表面材料特性的不同，其摩擦系数也不同，所以在扫描的过程中，导致微悬臂左右扭曲的程度也不同，检测器根据激光束在四个象限中，(A+C)-(B+D)这个强度差值来检测微悬臂的扭转弯曲程度。而微悬臂的扭转弯曲程度随表面摩擦特性变化而增减(增加摩擦力导致更大的扭转)。激光检测器的四个象限可以实时分别测量并记录形貌和横向力数据。

　　2、曲线测量

　　SFM除了形貌测量之外，还能测量力对探针-样品间距离的关系曲线Zt(Zs)。它几乎包含了所有关于样品和针尖间相互作用的必要信息。当微悬臂固定端被垂直接近，然后离开样品表面时，微悬臂和样品间产生了相对移动。而在这个过程中微悬臂自由端的探针也在接近、甚至压入样品表面，然后脱离，此时原子力显微镜(AFM)测量并记录了探针所感受的力，从而得到力曲线。Zs是样品的移动，Zt是微悬臂的移动。这两个移动近似于垂直于样品表面。用悬臂弹性系数c 乘以Zt，可以得到力F=c·Zt。如果忽略样品和针尖弹性变形，可以通过s=Zt-Zs给出针尖和样品间相互作用距离s。这样能从Zt(Zs)曲线决定出力-距离关系F(s)。这个技术可以用来测量探针尖和样品表面间的排斥力或长程吸引力，揭示定域的化学和机械性质，像粘附力和弹力，甚至吸附分子层的厚度。如果将探针用特定分子或基团修饰，利用力曲线分析技术就能够给出特异结合分子间的力或键的强度，其中也包括特定分子间的胶体力以及疏水力、长程引力等。

　　3、纳米加工

　　扫描探针纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一，其基本的原理是利用SPM的探针-样品纳米可控定位和运动及其相互作用对样品进行纳米加工操纵，常用的纳米加工技术包括：机械刻蚀、电致/场致刻蚀、浸润笔(Dip-Pen Nano-lithography，DNP)等。

　　1、表面形貌的表征

　　通过检测探针一样品作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AFM最基本的功能。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度(Roughness)、颗粒度(Granularity)、平均梯度(Step Height)、孔结构和孔径分布等参数;对小范围表面图像分析还可得到表面物质的晶形结构、聚集状态、分子的结构、面积和表面积及体积等;通过一定的软件也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示如等高线显示法、亮度一高度对应法等，亦可转换不同的视角，让图像更适于人的直观视觉。

　　2、表面物化属性的表征

　　AFM的一种重要的测量方法是力一距离曲线，它包含了丰富的针尖一样品作用信息。在探针接近甚至压入样品表面又随后离开的过程中，测量并记录探针所受到的力，就得到针尖和样品间的力一距离曲线。通过分析针尖一样品作用力，就能够了解样品表面区域的各种性质如压弹性、粘弹性、硬度等物理属性;若样品表面是有机物或生物分子，还可通过探针与分子的结合拉伸了解物质分子的拉伸弹性、聚集状态或空间构象等物理化学属性;若用蛋白受体或其它生物大分子对探针进行修饰(functionization)，探针则会具有特定的分子识别功能，从而了解样品表面分子的种类与分布等生物学特性。

　　3、AFM的功能拓展

　　根据针尖与样品材料的不同及针尖一样品距离的不同，针尖一样品作用力可以是原子间斥力、范德瓦尔斯吸引力、弹性力、粘附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生的摩擦力。目前，通过控制并检测针尖一一样品作用力，AFM已经发展成为扫描探针显微镜家族(SPM Family)，不仅可以高分辨率表征样品表面形貌，还可分析与作用力相应的表面性质。摩擦力显微镜可分析研究材料的摩擦系数 ;磁力显微镜可研究样品表面的磁畴分布，成为分析磁性材料的强有力工具;利用电力显微镜可分析样品表面电势、薄膜的介电常数和沉积电荷等。另外，AFM还可对原子和分子进行操纵、修饰和加工，并设计和创造出新的结构和物质。

　　原子力显微镜是扫描探针显微镜的一种，人们经常把它和扫描电子显微镜相比，下面就来说下它俩各自的优缺点。

　　一、优点

　　原子力显微镜观察到的图像相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。

　　二、缺点

　　和扫描电子显微镜(SEM)相比，AFM的缺点在于成像范围太小,速度慢，受探头的影响太大。原子力显微镜(Atomic Force Microscope)是继扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵;现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜(Scanning Force Microscope)，其基础就是原子力显微镜。