原子力显微镜的适用性是由于它具有高空间分辨率以及各种模式，可探讨不同的物理特性。原子力显微镜能够测量纳米级的力。位于悬臂末端的尖端作为探针，对样本进行逐行扫描。样品的表面和针间的相互作用在悬臂上产生了力；造成这种力是由于范德瓦尔斯力的作用，即两个不带电的原子相互接近时产生了力。在接触模式下，针尖在表面滑动，用其偏转来测量表面高度。在非接触模式下，探针接近其谐振频率并扫描表面。探针上的力用来确定表面高度（图4.4）。

原子力显微镜已广泛用于研究石墨烯的表面形貌、厚度、均匀性及畴生长。

原子力显微镜测量石墨烯的三种不同模式如下：

1）传统的AC方式。这种模式与TERS相结合（针尖增强拉曼光谱技术，一种先进的光学方法），有助于确定堆叠层的确切数字。

石墨烯在云母表面沉积的原子力显微镜研究在表面拓扑方面已经取得了一些非常有意义的成果[卢伊等（Lui et al.），2009]。

图4.5显示了生长在镍基底上的石墨烯的原子力显微镜图像。

图4.3 扫描隧道显微镜下的石墨烯片 （a）三层石墨烯片的形貌 （b）分离的原子层之间的高度剖面图 （c）分离的石墨烯层的原子分辨率地形图，展现了其蜂窝结构 （d）石墨 Courtesy Copyright ⓒ 2009，American Physical Society；Lietal.，Physical Review Letters，2009，102，17804.(www.daowen.com)

图4.5a显示了结晶石墨烯结构的晶粒尺寸，平均晶粒尺寸为936nm，图4.5b为564nm。该例子说明通过原子力显微镜技术可确定薄膜的晶粒尺寸。

2）定量成像模式。这是由JPK仪器公司（JPK Instruments AG）新研发的一种成像模式（QI^TM）。这种模式的优点是，能够精确控制在横向和垂直方向的力，从而能对松散连接的石墨烯片进行敏感成像。这有助于研究石墨烯的若干特性。

3）接触模式或导电原子力显微镜（CAFM）：有助于电学性质测量。由于层之间的离域电子，石墨具有高导电性能。与此不同的是，单层石墨烯在垂直方向显示出绝缘行为。导电原子力显微镜模式除了提供形貌数据，也揭示了电导率的分布。

图4.4 显微镜显示的云母上还原氧化石墨烯的形貌。该图像显示，某点上团聚的出现造成了不均匀的结构和一些传播峰，图像中的亮场部分可作为证明 Courtesy：Joel Leffler，Towards graphene based transparent conductive coating；Master Thesis，Lule a°University of Technology，2013.

值得一提的是，研究不同层数的石墨烯层之间的区别，可结合原子力显微镜和拉曼光谱或针尖增强拉曼光谱（TERS）进行。此外，许多形貌特性的扫描也可通过使用导电原子力显微镜与开尔文探针显微镜、近场光学显微镜、扫描热显微镜等进行。其软件支持系统（NanoWizard®）由JPK仪器公司提供。