Při měřeních tunelovacím mikroskopem byly pozorovány systematické odchylky, které se daly vysvětlit silovým působením mezi hrotem a vzorkem. Vznikla myšlenka na využití těchto sil přímo k měření, zvláště z důvodu potřeby měřit nevodivé vzorky — vznikla mikroskopie atomárních sil (Atomic Force Microscopy, 1986), která se stala nejrozšířenější odnoží SPM.
 |
| Průběh působících sil a vyznačení použitelných oblastí: bílá pro kontaktní, žlutá bezkontaktní měření. |
Metoda využívá (elektromagnetických) sil atomárního původu, které působí mezi atomy hrotu a vzorku, a mohou být blízko i dalekodosahové. Princip metody je stejně jednoduchý jako u STM – velmi ostrý hrot se pohybuje nad vzorkem či v dotyku s ním a je odpuzován či přitahován vzorkem. Hrot, který interakci snímá, je kolmo upevněn na tenkém pružném pásku – nosníku. Nosník svým ohybem zprostředkovává informaci o velikosti interakce do okolního světa. Pouze prvotní konstrukce používaly jiné uspořádání sondy buď v podobě ohnutého drátu (u něhož jsou problémy s detekcí ohybu) nebo jen nosníku bez hrotu. Uvedená konstrukce a principy umožňují na metodu AFM nahlížet jako na kombinaci hrotového profilometru a analyzátoru povrchových sil (SFA) s velmi malou interakční plochou.
Síly, které nosník ohýbají, mohou mít různý původ, nejčastěji se jedná o van der Waalsovu sílu a repulsivní sílu plynoucí z Pauliho principu. První z nich působí při větších vzdálenostech od vzorku, druhá pouze v dotyku, je-li vzdálenost menší než součet atomových poloměrů. Vzhledem k charakteru těchto sil se AFM liší od STM mapováním stavů nad Fermiho energií, což lépe odpovídá představě topografie. Dále mohou působit síly adhezní, vazebné, třecí, deformační a kapilární, z nichž nejvýznamnější je poslední uvedená, která má zvláštní projevy a mnohdy měření ztěžuje. V přítomnosti kondenzátu působí sice vždy, ale projevuje se jen při přechodu přes rozhraní kapalina–vzduch. Speciální využití mají případné síly elektrostatické či magnetické. Při všech měřeníchpůsobí jedna síla signálově a všechny ostatní pak šumově.
Typická závislost působících sil na vzdálenosti vykazuje jak oblasti přitažlivosti, tak odpuzování. Bývá modelována nejčastěji odvozením z Lennard–Jonesova potenciálu „6–12“
kde ε je konstanta a r0 konečná poloha, v níž je potenciál nulový. Z oblastí vyznačených na obrázku se odvozují jednotlivé režimy měření.
Přestože jde o mikroskopii sil, není jejich určení přímočaré. Metody se zpětnou vazbou obecně umožňují spíše mapování topografie nebo určitých ekviploch, zatímco bez zpětné vazby je nutno provádět kalibrace nosníku.