一体式原子力显微镜是一种集成了原子力显微镜(AFM)与其他观测或控制技术(如光学显微镜、拉曼光谱等)的复合型高精度分析仪器，主要用于在纳米尺度上对样品表面进行三维形貌成像和物理性质表征。
一体式原子力显微镜，是将原子力显微镜的核心功能模块——包括微悬臂探针组件、扫描驱动系统、信号检测系统、数据处理系统及控制软件，全部集成在一个紧凑的机箱内，无需额外外接控制器、计算机等设备，实现“开机即测”的便捷操作模式。与传统分体式AFM相比，其核心优势集中在集成化、小型化、高稳定性三大方面：体积仅与普通台式显微镜相当，可直接放置在实验台上使用，无需专门预留实验室空间；各组件连线短，大幅减少电磁干扰与信号衰减，提升信噪比与测量精度；紧凑结构增强了机械稳定性，降低环境振动对测量的影响，无需专门搭建防震台，可在普通实验室环境中稳定运行，同时统一的热设计使系统温度分布均匀，减少热漂移，保障长时间测量的稳定性。
一体式原子力显微镜的工作核心，与传统AFM一致，均基于原子间相互作用力的检测与反馈控制，本质是通过微悬臂末端的细探针“触摸”样品表面，捕捉探针与样品间的微弱作用力，进而转化为样品表面的三维形貌及物理特性信息，其工作过程可分为三个关键环节，兼顾高精度与高稳定性。
先探针与样品的相互作用：微悬臂一端固定，另一端搭载尖探针(针尖半径可低至几纳米)，当探针接近样品表面时，针尖原子与样品表面原子之间会产生微弱的范德华力、排斥力等相互作用力，这些作用力会使微悬臂发生微小形变(形变幅度可达皮米级)。这种微小形变是反映样品表面形貌的核心信号，也是实现原子级分辨率的关键基础。
其次，信号检测与反馈调节：采用激光偏转法或干涉法检测微悬臂的形变，其中激光偏转法应用广泛——二极管激光器发出的激光束聚焦在微悬臂背面，反射后投射到光电二极管检测器，微悬臂的微小形变会导致反射光斑位置偏移，检测器将光斑偏移信号转化为电信号，传输至反馈控制系统。反馈系统根据电信号实时调节压电陶瓷扫描器的位置，使探针与样品间的作用力保持恒定，确保扫描过程中探针始终与样品表面保持良好作用距离。
后扫描成像与数据处理：压电陶瓷扫描器驱动探针或样品进行 raster 扫描(光栅扫描)，在扫描过程中，反馈系统实时记录微悬臂的形变数据，通过集成的软件系统将这些数据转化为样品表面的三维形貌图像，同时可量化分析表面粗糙度、峰谷高度、颗粒尺寸等参数。此外，通过切换工作模式，还可检测样品的硬度、弹性模量、摩擦力等力学特性，实现对样品的表征。
