原子力顯微鏡在工作時(shí)，微懸臂的一端固定，另一端安裝一個(gè)探針，探針針尖的曲率半徑非常?。ㄔ诩{米量級(jí)），當(dāng)探針針尖與樣品表面輕輕接觸時(shí)，針尖J端的原子與樣品表面的原子間存在極微弱的力（機(jī)械接觸力、范德華力、毛吸力、化學(xué)鍵、靜電力等等），掃描時(shí)控制針尖與樣品之間的作用力保持恒定，則微懸臂就會(huì)在垂直于樣品表面的方向做上下起伏運(yùn)動(dòng)，利用光學(xué)檢測(cè)法檢測(cè)微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，則可獲得樣品表面的形貌和力學(xué)性能信息。由于是通過測(cè)量針尖J端的原子與樣品表面原子間的作用來進(jìn)行測(cè)量的，所以AFM原子力顯微鏡測(cè)定樣品形貌的空間分辨率達(dá)到納米（nm）級(jí)，而力學(xué)性能的測(cè)量精度可達(dá)到皮牛頓（pN）量級(jí)。
常用的原子力顯微鏡工作模式主要包括接觸模式、非接觸模式和輕敲模式等。接觸模式工作時(shí)，探針的針尖始終與樣品保持接觸，針尖與樣品間的作用力為庫(kù)侖排斥力，其大小一般為10 -8 ～10 -11 N。這種模式可以獲得穩(wěn)定的高分辨率圖像，但針尖在樣品表面上的移動(dòng)以及針尖與樣品間的黏附力，會(huì)對(duì)針尖造成損壞，也會(huì)使樣品產(chǎn)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生虛像。非接觸模式工作時(shí)，控制探針針尖與樣品表面的距離保持在約5-20nm進(jìn)行掃描，檢測(cè)到的是探針針尖與樣品表面的吸引力和靜電力等，這種模式針尖不易被損壞，樣品表面不易被破壞，但是由于針尖與樣品之間的距離比較大，分辨率沒有接觸模式的高，實(shí)際上，由于針尖會(huì)被樣品表面的黏附力所捕獲，所以使得非接觸模式的操作變得非常困難。在輕敲模式工作中，針尖與樣品短時(shí)間接觸，針尖和樣品表面免遭破壞，輕敲模式探針針尖在接觸樣品表面時(shí)有較大的振幅（大于20nm），足以克服針尖與樣品之間的黏附力，其作用力介于接觸模式和非接觸模式之間，分辨率和接觸模式基本相近。
在接觸模式中針尖與樣品距離短，工作在斥力區(qū)，非接觸模式工作中針尖與樣品距離較大，工作在吸引力區(qū)。輕敲模式中探針樣品間隙接觸，并以一定振幅振動(dòng)，探針針尖與樣品的距離在一定范圍內(nèi)變化，針尖和樣品的作用力是引力和斥力的交互作用。