自从诺贝尔奖获得者扫描隧道显微镜（STM）问世，以及宾尼格、夸特和格伯在里程碑式的出版物上发明原子力显微镜（AFM）以来，扫描探针显微镜的领域已经远远超出了使用原子间作用力在纳米尺度上成像的范围。测量分子间作用力和观察原子的能力在科学上是诱人的。
仅地形成像并不总能提供研究人员需要的答案，而且表面拓扑通常与材料特性不相关。由于这些原因，已经开发了高级成像模式，以提供各种表面的定量数据。现在，许多材料的性质可以通过原子力显微镜技术来确定，包括摩擦力、电力、电容、磁力、导电性、粘弹性、表面电位和电阻。
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扫描隧道显微镜
扫描探针显微镜家族的发展始于1981年STM的最初发明。Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在瑞士的IBM苏黎世研究实验室工作时开发了第一个工作STM。这台仪器后来为宾尼格和罗勒赢得了1986年的诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜
这个原子力显微镜（AFM）的开发是为了克服STM的一个基本缺点——它只能成像导电或半导体表面。原子力显微镜的优点是可以成像几乎任何类型的表面，包括聚合物、陶瓷、复合材料、玻璃和生物样品。
Binnig、Quate和Gerber于1985年发明了AFM。他们最初的原子力显微镜由一块钻石碎片和一条金箔组成。金刚石尖端直接接触表面，原子间范德华力提供了相互作用机制。使用第二个尖端检测悬臂的垂直移动，STM位于悬臂上方。
原子力显微镜的工作原理
与扫描隧道显微镜的工作原理类似，尖锐的尖端通过反馈回路在表面上进行光栅扫描，以调整表面成像所需的参数。与扫描隧道显微镜不同，原子力显微镜不需要导电样品。原子力被用来映射针尖-样品相互作用，而不是使用隧穿的量子力学效应。
通常被称为扫描探针显微镜（SPM），几乎所有可测量的力相互作用都有原子力显微镜技术——范德华、电、磁、热。对于一些更专业的技术，需要修改提示和软件调整。
除了埃级定位和反馈回路控制外，原子力显微镜通常包括两个组件：偏转和力测量。
原子力显微镜探针偏转
传统上，大多数原子力显微镜使用激光束偏转系统，其中激光从反射AFM杆的背面反射到位置敏感探测器上。AFM尖端和悬臂通常由硅或硅制成3.N4.. 典型的尖端半径为几到10s纳米。
测力
由于原子力显微镜依赖于针尖和样品之间的力，这些力会影响AFM成像。力不是直接测量的，而是通过测量杠杆的挠度来计算的，知道悬臂的刚度。
胡克定律给出：
F=-kz
其中F是力，k是杆的刚度，z是杆弯曲的距离。
原子力显微镜反馈回路
原子力显微镜有一个反馈回路，使用激光偏转来控制力和尖端位置。如图所示，激光从包括AFM尖端的悬臂梁背面反射。当针尖与表面相互作用时，光电探测器上的激光位置在反馈回路中用于跟踪表面进行成像和测量。
