原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）はプローブとサンプル表面との相互作用に基づく高分解能顕微鏡技術であり、ナノスケールでサンプルに対して三次元形態測定と多種の物理的、化学的性質分析を行うことができる。その核心的な利点は、真空環境を必要とせず、さまざまな材料（絶縁体を含む）を測定でき、遠超光学顕微鏡の分解能（横方向分解能は0.1〜0.2ナノメートル、縦方向分解能は0.01ナノメートル）を提供できることである。以下はAFMの主な測定機能と応用シーンである：

1、三次元形態再構築

プローブにより試料表面を走査し、プローブ垂直変位（Z軸信号）を記録し、高解像度の3次元表面画像を生成する。

応用：ナノ材料表面粗さ分析、マイクロ電子デバイス構造特性評価、生物サンプル（例えば細胞膜、DNA）表面形態観察。

ケース：グラフェン表面の単原子層階段を測定し、高さ差はわずか0.34ナノメートルであった。

2、階段高さと輪郭分析

フィルムの厚さ、ナノワイヤの直径、粒子の高さなどの垂直寸法を定量的に測定する。

応用：半導体薄膜成長品質評価、ナノ粒子サイズ統計、コーティング均一性検査。

1、弾性率と硬度

力−距離曲線（Force−Distance Curve）解析により、試料の局所弾性率（Young's Modulus）と硬度を計算した。

応用：ポリマー材料の力学性能特徴、軟骨、腫瘍細胞などの生物組織の硬度差の研究。

例：癌細胞と正常細胞の弾性率の差異を測定し、癌診断を補助する。

2、接着力と摩擦力

プローブと試料表面との接着力（分子間力など）または横方向摩擦力を測定する。

応用：潤滑材料の性能評価、生物分子（例えば蛋白質、DNA）と基板の相互作用研究。

1、導電性原子間力顕微鏡（C-AFM）

プローブに電圧を印加し、サンプル表面電流分布を測定し、導電性マップを生成した。

応用：半導体装置の漏電分析、導電性ポリマー薄膜の均一性検査、太陽電池電極接触品質評価。

実例：太陽電池中の導電不良の微小領域を位置づけ、製造技術を最適化する。

2、静電力顕微鏡（EFM）

プローブと試料表面との間の静電気力を測定し、表面電荷分布または誘電率を反映する。

応用：強誘電材料ドメイン構造観察、絶縁体表面電荷トラップ分析。

1、磁気力顕微鏡（MFM）

磁性コーティングプローブを用いて、試料表面磁区構造を磁気相互作用力によりマッピングした。

応用：ハードディスク磁気ヘッドの開発、磁性ナノ粒子の配列研究、スピン電子デバイスの特徴付け。

ケース：磁気記憶媒体中のナノスケール磁区の書き込みと読み取りプロセスを観察する。

1、走査熱顕微鏡（SThM）

プローブチップを加熱して局所熱伝導率を測定し、熱分布図を生成する。

応用：マイクロ電子デバイスの熱管理最適化、複合材料の熱伝導率異方性分析。

1、化学力顕微鏡（CFM）

プローブは特定の分子を結合するなどの機能的修飾を行い、化学結合力によって表面化学成分を識別する。

応用：単分子検査、触媒界面活性部位の定位、生体分子の特異性識別。

2、生物サンプルの動態観察

液体環境において、細胞運動、タンパク質折り畳みまたはDNAハイブリダイゼーションプロセスをリアルタイムで監視する。

実例：生細胞膜表面受容体の動態分布を観察し、薬物作用機序を研究する。

1、時間分解AFM

高速走査（ミリ秒レベル）は、相転移、結晶成長、または腐食プロセスなどの表面形態変化を捕捉する。

応用：電池電極の充放電過程の形態変化、金属腐食初期段階のモニタリング。

1、AFM-ラマン併用

AFM形態とラマンスペクトル化学情報を結合し、「形態−成分」の同期分析を実現する。

応用：二次元材料（例えばMoSタンパ）の層数と欠陥識別、ポリマー複合材料の界面研究。

2、AFM-赤外線併用

針先増強赤外分光法（TERS）により、ナノスケール化学イメージングを実現した。

応用：生体分子ナノ構造化学組成分析、触媒界面活性中心定位。