根據量子力學原理，由于電子的隧道效應，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內，電子云密度并不是在表面邊界處突變為零。在金屬表面以外，電子云密度呈指數衰減，衰減長度約為1nm。用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(稱為樣品)的表面作為兩個電極，當樣品表面與針尖非常靠近(距離＜1nm)時，兩者的電子云略有重疊，如圖1所示。若在兩極間加上電壓U，在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流 I 。隧道電流 I 的大小與針尖和樣品間的距離 s 以及樣品表面平均勢壘的高度 有關，其關系為

 ，式中A為常量。 如果s以10^-1 nm為單位，以eV為單位，則在真空條件下，A ≈1，

。

由此可見，隧道電流 I 對針尖與樣品表面之間的距離 s 極為敏感，如果 s 減小0.1nm，隧道電流就會增加一個數量級。當針尖在樣品表面上方掃描時，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過其隧道電流顯示出來。借助于電子儀器和計算機，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。

原子力顯微鏡的基本工作原理

AFM系統主要由以下幾部分組成：（1）帶針尖的力敏感元件；（2）力敏感元件運動檢測裝置；（3）監控力敏感元件運動的反饋回路；（4）掃描系統（一般使用壓電陶瓷），其作用是使樣品進行掃描運動；（5）圖象采集及顯示；（6）圖象處理系統。其中關鍵的是前兩部分。

AFM的工作原理如圖2所示。將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。使針尖在樣品的表面上掃描，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力（10^-8-10^-6N），原子間作用力的檢測主要由光杠桿技術來實現。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會彎曲。為檢測懸臂的微小彎曲量（位移），采用激光照射懸臂的尖端，四象限探測器就可檢測出懸臂的偏轉。如果控制這種力在掃描過程中保持恒定，則微懸臂將在垂直于樣品表面的方向上起伏運動，利用隧道電流檢測法或光學檢測方法，測定微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。

根據AFM 所測力的性質的不同，其工作模式及微懸臂運動的檢測方法將有所不同。所謂工作模式，主要是指AFM工作時微懸臂運動所處的狀態，主要可分為兩種。一種為準靜態工作模式，此時針尖與樣品的相互作用力較強，微懸臂有較大形變，可用隧道電流法，電容及激光束偏轉探測法等直接檢測此形變。處于該模式，針尖與樣品的間距小于0.03nm，基本上是緊密接觸的（故又稱接觸模式）。由于此時二者電子云發生重疊，導致儀器的分辨率極高，可達原子級水平。運用此種模式可測量原子間的相互作用力，所測最小力可達10^-9N。對于針尖與樣品間的摩擦力，也可用該模式進行測量，這時最小檢測極限可達10^-10N。 根據反饋方式的不同，該模式又可分成恒力模式和形變變化模式兩種。前者反饋信號控制樣品上下運動，使得微懸臂的形變及其與樣品間的相互作用力保持恒定；后者樣品只進行掃描運動，反饋線路控制使得微懸臂隨表面的起伏而上下運動。此時，由于反饋直接控制隧道針尖，導致儀器工作穩定，但其數據的解釋要困難一些。

上面描述的這種接觸模式適應于對硬表面的觀察，并可達到較高的分辨率，但這種接觸模式與樣品表面相互作用較強，對于生物樣品，由于它相對于云母，石墨及金等固體材料具有較大的柔軟性，目前對其觀察還沒有達到足夠高的分辨率，在針尖掃描時，有時還會造成樣品表面的損傷。而對于吸附在堅硬表面的樣品，在探針的作用下有時會被移動而不利于成像。對于生物材料，由于其表面較軟如果采用接觸模式，在不降低其分辨率的情況下，應盡量降低針尖與樣品的作用力，以免造成表面損傷。