Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) είναι ένα εξαιρετικά ακριβές μικροσκόπιο που απεικονίζει ένα δείγμα μετακινώντας γρήγορα έναν καθετήρα με άκρη μεγέθους νανομέτρων στην επιφάνειά του. Αυτό είναι αρκετά διαφορετικό από ένα οπτικό μικροσκόπιο που χρησιμοποιεί ανακλώμενο φως για να απεικονίσει ένα δείγμα. Ένας ανιχνευτής AFM προσφέρει πολύ υψηλότερο βαθμό ανάλυσης από ένα οπτικό μικροσκόπιο, επειδή το μέγεθος του καθετήρα είναι πολύ μικρότερο από το λεπτότερο μήκος κύματος του ορατού φωτός. Σε ένα εξαιρετικά υψηλό κενό, ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης μπορεί να απεικονίσει μεμονωμένα άτομα. Οι εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης δυνατότητές του έχουν κάνει το AFM δημοφιλές στους ερευνητές που εργάζονται στον τομέα της νανοτεχνολογίας.
Σε αντίθεση με το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM), το οποίο απεικονίζει μια επιφάνεια έμμεσα μέσω μέτρησης του βαθμού κβαντικής σήραγγας μεταξύ του ανιχνευτή και του δείγματος, σε ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης ο ανιχνευτής είτε έρχεται σε άμεση επαφή με την επιφάνεια είτε μετρά τον αρχικό χημικό δεσμό μεταξύ του ανιχνευτή και του δείγματος .
Το AFM χρησιμοποιεί πρόβολο μικροκλίμακας με μύτη ανιχνευτή του οποίου το μέγεθος μετράται σε νανόμετρα. Ένα AFM λειτουργεί σε μία από τις δύο λειτουργίες: λειτουργία επαφής (στατική) και δυναμική (ταλαντούμενη). Στη στατική λειτουργία, ο ανιχνευτής παραμένει ακίνητος, ενώ στη δυναμική λειτουργία ταλαντώνεται. Όταν το AFM πλησιάζει ή έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια, ο πρόβολος εκτρέπεται. Συνήθως, πάνω από τον πρόβολο υπάρχει ένας καθρέφτης που αντανακλά ένα λέιζερ. Το λέιζερ αντανακλάται σε μια φωτοδίοδο, η οποία μετρά με ακρίβεια την εκτροπή του. Όταν αλλάξει η ταλάντωση ή η θέση του άκρου AFM, καταχωρείται στη φωτοδίοδο και δημιουργείται μια εικόνα. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται πιο εξωτικές εναλλακτικές λύσεις, όπως οπτική συμβολομετρία, χωρητική ανίχνευση ή πιεζοαντιστικές (ηλεκτρομηχανικές) άκρες ανιχνευτών.
Κάτω από ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, τα μεμονωμένα άτομα μοιάζουν με ασαφείς κηλίδες σε μια μήτρα. Για την παροχή αυτού του βαθμού ανάλυσης απαιτείται ένα περιβάλλον εξαιρετικά υψηλού κενού και ένας πολύ άκαμπτος πρόβολος, που τον εμποδίζει να κολλήσει στην επιφάνεια σε κοντινή απόσταση. Το μειονέκτημα ενός άκαμπτου προβόλου είναι ότι απαιτεί ακριβέστερους αισθητήρες για τη μέτρηση του βαθμού παραμόρφωσης.
Τα μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας, μια άλλη δημοφιλής κατηγορία μικροσκοπίων υψηλής ακρίβειας, έχουν συνήθως καλύτερη ανάλυση από τα AFM, αλλά ένα πλεονέκτημα των AFM είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιβάλλον υγρού ή αερίου, ενώ ένα STM πρέπει να λειτουργεί σε υψηλό κενό. Αυτό επιτρέπει την απεικόνιση υγρών δειγμάτων, ιδιαίτερα βιολογικών ιστών. Όταν χρησιμοποιείται σε εξαιρετικά υψηλό κενό και με άκαμπτο πρόβολο, ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης έχει παρόμοια ανάλυση με ένα STM.