原子力顯微鏡作為掃描探針顯微鏡的一個重要成員，是納米科學技術(shù)中的主要工具之一。

由于具有納米甚至原子量級的超高分辨率和柔性的測量環(huán)境要求使得AFM原子力顯微鏡在納米科技各領(lǐng)域，例如納米計量、表面科學和生物科學等中的應用愈來愈廣泛。 本文主要從多個側(cè)面研究原子力顯微鏡應用的若干重要問題。先探討AFM原子力顯微鏡測量中針尖和樣品形貌的耦合以及相應的樣品形貌重建。

利用基于數(shù)學形態(tài)學算法，通過數(shù)值模擬，研究影響原子力顯微鏡粗糙度測量的探針和樣品的幾何因素。分析中同時考慮針尖曲率半徑、被測樣品表面的原始相關(guān)長度、標準偏差和高度分布形態(tài)等綜合因素。并且從實驗上表明了掃描速率對表觀圖像質(zhì)量和測量粗糙度的影響。這部分工作在AFM原子力顯微鏡掃描圖像定量評價上有重要意義。 其次，從理論和實驗上分析現(xiàn)今廣泛采用的振動測量模式的一些機理，如探針振動過程中的振幅——位移和相位——位移曲線以及探針的非線性振動現(xiàn)象。

利用3D模式，系統(tǒng)地對振動模式中原子力顯微鏡微懸臂的非線性振動特性作了實驗分析。對已有的利用振動模式掃描JI化力顯微鏡對DNA測量實驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)建模分析，發(fā)現(xiàn)計算的DNA徑向彈性模量隨變形增加而增加，說明基底效應對測量的影響不可忽略。利用接觸模式、Jumping模式、接觸振動模式和非接觸振動模式對DPPC單層膜的形貌和粘附力進行測量，發(fā)現(xiàn)在接觸振動模式下，測量的DPPC形貌出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象?；谡掣搅σ鸬哪芰繐p耗的定性分析則可以合理解釋上述形貌的反轉(zhuǎn)。

再次，利用靜電力顯微術(shù)定性標定G4分子和單壁碳納米管的導電性。嘗試在液體環(huán)境下利用AFM原子力顯微鏡同時測量法向力和電流，發(fā)現(xiàn)對于部分商用的導電探針和自鍍金屬膜的探針能夠在皮牛量級的作用力下跟樣品建立電學接觸。然而，對液體環(huán)境下，如何產(chǎn)生可靠的導電探針和導電針尖的壽命問題是電學性能定量標定的瓶頸。同時，本文中還獲得了大氣與液體環(huán)境下的低隧道電流反饋的掃描隧道顯微鏡原子分辨圖像。 文中第四部分主要介紹一種循環(huán)溶液原子力顯微鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)在生物樣品測量和原位觀測溶液下晶體生長具有很大的潛力。作為其中的一種應用，用該原子力顯微系統(tǒng)實時觀測(Ba，Sr)SO4晶體在重晶石(001)晶面上的生長狀況，系統(tǒng)地測量分析晶體生長的生長形貌以及臺階生長速率和二維小丘分布密度隨溶液不同組份及濃度的變化關(guān)系。并且利用AFM原子力顯微鏡進行了微刻壓實驗，發(fā)現(xiàn)伴隨微壓痕的產(chǎn)生，在重晶石晶體(001)晶面表面上沿著某特定晶向會產(chǎn)生幾埃量級的位錯。