一體式原子力顯微鏡是一種集成了原子力顯微鏡(AFM)與其他觀測或控制技術(如光學顯微鏡、拉曼光譜等)的復合型高精度分析儀器，主要用于在納米尺度上對樣品表面進行三維形貌成像和物理性質表征。
一體式原子力顯微鏡，是將原子力顯微鏡的核心功能模塊——包括微懸臂探針組件、掃描驅動系統、信號檢測系統、數據處理系統及控制軟件，全部集成在一個緊湊的機箱內，無需額外外接控制器、計算機等設備，實現“開機即測”的便捷操作模式。與傳統分體式AFM相比，其核心優勢集中在集成化、小型化、高穩定性三大方面：體積僅與普通臺式顯微鏡相當，可直接放置在實驗臺上使用，無需專門預留實驗室空間；各組件連線短，大幅減少電磁干擾與信號衰減，提升信噪比與測量精度；緊湊結構增強了機械穩定性，降低環境振動對測量的影響，無需專門搭建防震臺，可在普通實驗室環境中穩定運行，同時統一的熱設計使系統溫度分布均勻，減少熱漂移，保障長時間測量的穩定性。
一體式原子力顯微鏡的工作核心，與傳統AFM一致，均基于原子間相互作用力的檢測與反饋控制，本質是通過微懸臂末端的細探針“觸摸”樣品表面，捕捉探針與樣品間的微弱作用力，進而轉化為樣品表面的三維形貌及物理特性信息，其工作過程可分為三個關鍵環節，兼顧高精度與高穩定性。
先探針與樣品的相互作用：微懸臂一端固定，另一端搭載尖探針(針尖半徑可低至幾納米)，當探針接近樣品表面時，針尖原子與樣品表面原子之間會產生微弱的范德華力、排斥力等相互作用力，這些作用力會使微懸臂發生微小形變(形變幅度可達皮米級)。這種微小形變是反映樣品表面形貌的核心信號，也是實現原子級分辨率的關鍵基礎。
其次，信號檢測與反饋調節：采用激光偏轉法或干涉法檢測微懸臂的形變，其中激光偏轉法應用廣泛——二極管激光器發出的激光束聚焦在微懸臂背面，反射后投射到光電二極管檢測器，微懸臂的微小形變會導致反射光斑位置偏移，檢測器將光斑偏移信號轉化為電信號，傳輸至反饋控制系統。反饋系統根據電信號實時調節壓電陶瓷掃描器的位置，使探針與樣品間的作用力保持恒定，確保掃描過程中探針始終與樣品表面保持良好作用距離。
后掃描成像與數據處理：壓電陶瓷掃描器驅動探針或樣品進行 raster 掃描(光柵掃描)，在掃描過程中，反饋系統實時記錄微懸臂的形變數據，通過集成的軟件系統將這些數據轉化為樣品表面的三維形貌圖像，同時可量化分析表面粗糙度、峰谷高度、顆粒尺寸等參數。此外，通過切換工作模式，還可檢測樣品的硬度、彈性模量、摩擦力等力學特性，實現對樣品的表征。
