原子間力顕微鏡

AFMには、力測定、地形画像化、操作という3つの主要な機能があります。

力測定において、AFMはプローブと試料間の距離の関数として、両者の間に働く力を測定できます。これは、力分光法に応用でき、試料のヤング率（剛性の指標）などの機械的特性を測定することができます。

画像化においては、試料がプローブに加える力に対するプローブの反応を利用して、試料表面の三次元形状（地形）を高解像度で画像化することができる。これは、プローブ先端に対する試料の位置をラスタースキャンし、プローブと試料の相互作用が一定となるプローブの高さを記録することによって実現される。表面地形は一般的に擬似カラープロットとして表示される。

1986年にBinnig、Quate、Gerberによって原子間力顕微鏡に関する最初の論文が発表され、原子分解能を達成できる可能性が推測されましたが、1993年にOhnesorgeとBinnigによって常温（液体）条件下での欠陥やステップエッジの原子分解能が実証されるまでには、深刻な実験上の課題を克服する必要がありました。^{[ 2 ]}シリコン7×7表面の真の原子分解能は、Giessiblによって示されるまでもう少し待たなければなりませんでした。^{[ 3 ]}原子以下の分解能（つまり、単一原子の電子密度内の構造の詳細を分解する能力）もAFMによって達成されています。

操作においては、探針と試料間の力を利用して、試料の特性を制御された方法で変化させることも可能である。その例としては、原子操作、走査プローブリソグラフィー、細胞の局所刺激などが挙げられる。

地形画像の取得と同時に、試料の他の特性を局所的に測定し、画像として表示することもできます。多くの場合、同様に高解像度です。このような特性の例としては、剛性や接着強度などの機械的特性、導電率や表面電位などの電気的特性が挙げられます。^{[ 4 ]}実際、SPM技術の大部分は、この方式を使用するAFMの拡張です。^{[ 5 ]}

原子間力顕微鏡と、光学顕微鏡や電子顕微鏡といった競合技術との主な違いは、AFMはレンズやビーム照射を使用しない点にある。そのため、回折や収差による空間分解能の制限を受けず、ビームを誘導するための空間（真空状態を作るなど）の準備や試料の染色も不要である。

走査型顕微鏡には、SPM（AFM、走査型トンネル顕微鏡（STM）、近接場走査型光学顕微鏡（SNOM/NSOM）、STED顕微鏡（STED）、走査型電子顕微鏡、電気化学AFM（EC-AFM）など）を含むいくつかの種類があります。SNOMとSTEDは可視光、赤外線、あるいはテラヘルツ光を用いて試料を照射しますが、その解像度は回折限界によって制限されません。

図3はAFMを示しており、通常は以下の特徴から構成されています。^{[ 6 ]}括弧内の数字は図3の番号付き特徴に対応しています。座標方向は座標系(0)によって定義されます。

小型のバネ状のカンチレバー（1）は支持部（2）によって支持される。オプションとして、圧電素子（通常はセラミック材料製）（3）がカンチレバー（1）を振動させる。鋭利な先端部（4）はカンチレバー（1）の自由端に固定されている。検出器（5）はカンチレバー（1）のたわみと動きを記録する。試料（6）は試料ステージ（8）に取り付けられる。xyz駆動装置（7）により、試料（6）と試料ステージ（8）を先端部（4）を基準としてx、y、z方向に移動させることができる。図3では駆動装置が試料に取り付けられている様子を示しているが、試料と先端部の相対的な変位を制御する必要があるため、駆動装置を先端部に取り付けることも、それぞれに独立した駆動装置を取り付けることも可能である。コントローラとプロッタは図3には示されていない。

上述の構成によれば、原子スケールの現象である探針と試料間の相互作用は、マクロスケールの現象であるカンチレバーの動きの変化に変換されます。探針と試料間の相互作用を定量化するために、カンチレバーの動きのさまざまな側面を用いることができます。最も一般的なのは、たわみの値、カンチレバーに加わる振動の振幅、またはカンチレバーの共振周波数のシフトです（「イメージングモード」の項を参照）。

画像形成

このセクションは特に§ コンタクトモードでの画像撮影に適用されます。他の画像撮影モードでも同様の手順ですが、「偏向」を適切なフィードバック変数に置き換える必要があります。

AFMを用いて試料を画像化する場合、プローブ先端を試料に接触させ、試料をx-yグリッドに沿ってラスタースキャンします。一般的には、スキャン中にプローブと試料間の力を一定に保つために、電子フィードバックループが使用されます。このフィードバックループは、カンチレバーのたわみを入力とし、プローブ支持部（図3の2）と試料支持部（図3の8）間のz軸方向の距離を出力します。プローブ先端が試料に接触したまま、試料がx-y平面でスキャンされている限り、試料の高さの変化によってカンチレバーのたわみが変化します。フィードバックは、たわみがユーザー定義値（設定値）に戻るようにプローブ支持部の高さを調整します。適切に調整されたフィードバックループは、スキャン動作中に支持部と試料間の距離を連続的に調整し、たわみがほぼ一定に保たれるようにします。この場合、フィードバック出力は試料表面の形状とわずかな誤差の範囲内で一致します。

従来は、サンプルとプローブ支持部間の距離を一定に保ち、フィードバック（サーボ機構）で制御しない別の操作方法が用いられていました。このモードは一般的に「定高モード」と呼ばれ、カンチレバーのたわみがサンプルのx-y位置の関数として記録されます。チップがサンプルに接触している限り、たわみは表面形状に対応します。この方法は、チップとサンプル間の力が制御されないため、チップやサンプルを損傷するほどの大きな力が発生する可能性があるため、現在ではあまり使用されていません。しかし、フィードバックを用いた定力モードでスキャンする場合でも、たわみを記録することは一般的です。これにより、フィードバックの小さなトラッキング誤差が明らかになり、フィードバックでは補正できなかった特徴が明らかになる場合もあります。

試料の高さやカンチレバーのたわみといったAFM信号は、x-yスキャン中にコンピュータに記録されます。これらの信号は擬似カラー画像としてプロットされ、各ピクセルは試料上のx-y位置を表し、色は記録された信号を表します。

The AFM was invented by IBM scientists in 1985.^[7] The precursor to the AFM, the scanning tunneling microscope (STM), was developed by Gerd Binnig and Heinrich Rohrer in the early 1980s at IBM Research – Zurich, a development that earned them the 1986 Nobel Prize for Physics. Binnig invented^[6] the atomic force microscope and the first experimental implementation was made by Binnig, Quate and Gerber in 1986.^[8]

The first commercially available atomic force microscope was introduced in 1989. The AFM is one of the foremost tools for imaging, measuring, and manipulating matter at the nanoscale.

The AFM has been applied to problems in a wide range of disciplines of the natural sciences, including solid-state physics, semiconductor science and technology, molecular engineering, polymer chemistry and physics, surface chemistry, molecular biology, cell biology, and medicine.

Applications in the field of solid state physics include (a) the identification of atoms at a surface, (b) the evaluation of interactions between a specific atom and its neighboring atoms, and (c) the study of changes in physical properties arising from changes in an atomic arrangement through atomic manipulation.

In molecular biology, AFM can be used to study the structure and mechanical properties of protein complexes and assemblies. For example, AFM has been used to image microtubules and measure their stiffness.

In cellular biology, AFM can be used to attempt to distinguish cancer cells and normal cells based on a hardness of cells, and to evaluate interactions between a specific cell and its neighboring cells in a competitive culture system. AFM can also be used to indent cells, to study how they regulate the stiffness or shape of the cell membrane or wall.

バリエーションによっては、導電性カンチレバーを使用して電位をスキャンすることもできます。より高度なバージョンでは、チップに電流を流して下地表面の電気伝導率や輸送を調べることができますが、これは困難な作業であり、一貫したデータを報告している研究グループはほとんどありません（2004 年現在）。^{[ 9 ]}導電性原子間力顕微鏡(C-AFM) やケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM) などの AFM 技術は、固体電池の研究において、局所的な伝導率の変化、界面電位の変化、ナノスケールでの劣化メカニズムを分析するためにますます使用されています。

AFM operation is usually described as one of three modes, according to the nature of the tip motion: contact mode, also called static mode (as opposed to the other two modes, which are called dynamic modes); tapping mode, also called intermittent contact, AC mode, or vibrating mode, or, after the detection mechanism, amplitude modulation AFM; and non-contact mode, or, again after the detection mechanism, frequency modulation AFM.

Despite the nomenclature, repulsive contact can occur or be avoided both in amplitude modulation AFM and frequency modulation AFM, depending on the settings.

Tapping mode

In ambient conditions, most samples develop a liquid meniscus layer. Because of this, keeping the probe tip close enough to the sample for short-range forces to become detectable while preventing the tip from sticking to the surface presents a major problem for contact mode in ambient conditions. Dynamic contact mode (also called intermittent contact, AC mode or tapping mode) was developed to bypass this problem.^[12] Nowadays, tapping mode is the most frequently used AFM mode when operating in ambient conditions or in liquids.

タッピングモードでは、カンチレバーは共振周波数付近で上下に振動するように駆動されます。この振動は、一般的にカンチレバーホルダー内の小型圧電素子によって実現されますが、他の方法としては、交流磁場（磁気カンチレバーの場合）、圧電カンチレバー、または変調レーザービームによる周期的な加熱などが挙げられます。この振動の振幅は通常、数nmから200nmまで変化します 。タッピングモードでは、駆動信号の周波数と振幅は一定に保たれるため、ドリフトや表面との相互作用がない限り、カンチレバーの振動振幅は一定になります。先端が表面に近づくと、カンチレバーに作用する力（ファンデルワールス力、双極子-双極子相互作用、静電力など）の相互作用により、先端がサンプルに近づくにつれてカンチレバーの振動振幅が変化します（通常は減少します）。この振幅は、サンプル上のカンチレバーの高さを制御する電子サーボに入力されるパラメータとして使用されます。サーボ機構は、カンチレバーがサンプル上を走査される際に、設定されたカンチレバー振動振幅を維持するように高さを調整します。したがって、タッピングAFM画像は、チップとサンプル表面との断続的な接触の力を画像化することによって生成されます。^{[ 13 ]}

振動の接触部分で加えられるピーク力は、通常コンタクトモードで使用される力よりもはるかに高くなる可能性がありますが、タッピングモードは一般的に、コンタクトモードに比べて表面やチップへの損傷を軽減します。これは、加えられる力の持続時間が短いことと、タッピングモードではコンタクトモードに比べてチップとサンプル間の横方向の力が著しく低いことによって説明できます。タッピングモードイメージングは​​、液体媒体中の支持脂質二重層や吸着した単一ポリマー分子（例えば、 合成ポリ電解質の0.4 nm厚の鎖）の可視化にも十分穏やかです。適切なスキャンパラメータを使用すれば、単一分子のコンフォメーションは何時間も変化せず、単一分子モーターでさえ移動中にイメージングできます。^{[ 11 ]}

タッピングモードで動作させる場合、駆動信号に対するカンチレバーの振動位相も記録できます。この信号チャネルには、各振動サイクルでカンチレバーが消費するエネルギーに関する情報が含まれています。剛性の異なる領域や接着特性の異なる領域を含むサンプルでは、​​地形画像では見えないコントラストがこのチャネルに現れることがあります。しかし、位相画像からサンプルの材料特性を定量的に抽出することは、多くの場合困難です。

プローブと試料間の距離が原子間力検出可能な範囲に達すると、カンチレバーが固有振動数（f₀ _）で励振されたときに、カンチレバーの共振周波数fが元の共振周波数からずれることがあります。言い換えれば、原子間力検出可能な範囲では、周波数シフト（df  = f – f₀）も観測されます。プローブと試料間の距離が非接触領域にある場合_、プローブと試料間の距離が小さくなるにつれて、周波数シフトは負の方向に増加します。

試料に凹凸がある場合、試料をx-y方向に走査しながら（z方向の高さ調整は行わずに）、探針先端と試料との距離は凹凸に応じて変化します。その結果、周波数シフトが生じます。試料表面をx-y方向にラスタースキャンして得られた周波数値を、各測定点のx-y座標に対してプロットした画像を、定高画像と呼びます。

一方、試料表面をx-y方向にラスタースキャンしながら、負帰還（zフィードバックループを使用）を用いてプローブをz方向に上下に移動させることで（図5の（3）参照）、dfを一定に保つことができる。負帰還量（プローブのz方向の上下移動距離）を各測定点のx-y座標に対してプロットした画像が地形画像である。言い換えれば、地形画像はdfが一定になるように制御されたプローブ先端の軌跡であり、dfの一定高さ面のプロットと考えることもできる。

したがって、AFMの地形画像は表面の形態そのものを正確に表しているわけではなく、実際にはプローブと試料間の結合次数に影響を受けた画像であるが、AFMの地形画像は走査型トンネル顕微鏡の地形画像よりも表面の地理的な形状をより反映していると考えられている。

力分光法は、生体材料（組織や細胞など）の機械的特性を測定するために生物物理学で使用され^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}、剛性トモグラフィーを使用してサンプルのバルクに埋め込まれた異なる剛性の構造を検出します。^{[ 24 ]}別の応用例として、カンチレバーの先端に付着した材料と、自由または同じ材料で覆われた粒子の表面との間の相互作用力を測定する方法があります。接着力分布曲線から、力の平均値が導出されます。これにより、材料で覆われているか否かにかかわらず、粒子の表面の地図を作成することができました。^{[ 25 ]} AFMは、タンパク質の機械的展開にも使用されています。^{[ 26 ]}このような実験では、適切なモデル^{[ 27 ]}を使用した平均展開力の分析により、タンパク質の展開速度と自由エネルギープロファイルパラメータに関する情報が得られます。

空気中でのAFM測定において、水のメニスカス力は非常に興味深い現象です。空気中での測定では、周囲の湿度によって、探針と試料の間に薄い水の層が形成されます。その結果生じる毛細管力は、探針を表面に引き寄せる強い引力を生み出します。実際、有限湿度の空気中で探針と試料の間で測定される接着力は、通常、毛細管力が支配的です。そのため、探針を表面から引き離すのは困難です。多くのポリマーや特に生体材料を含む軟質試料の場合、強い接着毛細管力によって、接触モードでのイメージング時に試料の劣化や破壊が生じます。歴史的に、これらの問題は、空気中での動的イメージング（例えば「タッピングモード」）の開発における重要な動機となりました。空気中でのタッピングモードイメージング中も、毛細管ブリッジは形成されます。しかし、適切なイメージング条件では、カンチレバーの振幅と位相対距離曲線の解析から推測できるように、表面に垂直なカンチレバーの各振動サイクルで毛細管ブリッジが形成され、破壊されます。^{[ 35 ]}その結果、破壊的なせん断力が大幅に低減され、柔らかいサンプルを調査することができる。

平衡毛細管力を定量化するために、圧力に関するラプラス方程式から始める必要がある。

${\displaystyle P=\gamma _{L}\left({\frac {1}{r}}_{1}+{\frac {1}{r}}_{0}\right)\simeq {\frac {\gamma _{L}}{r_{eff}}}}$

ここで、 γ _Lは表面エネルギーであり、r ₀とr ₁は図で定義されている。

圧力は、

${\displaystyle A\simeq 2\pi R\simeq [r_{eff}(1+\cos \theta )+h]}$

ここで、θは先端の表面と液体の表面との間の角度であり、 hは周囲の液体とミニスカスの頂部との間の高さの差である。

2つの表面を引き寄せる力は

${\displaystyle F=2\pi R\gamma _{L}\left(1+\cos \theta +{\frac {h}{r_{eff}}}\right)}$

同じ式は、相対湿度の関数としても計算できる。

Gao ^{[ 36 ] は}、さまざまな先端形状の計算式を算出しました。例えば、円錐形の先端では、球形の先端に比べて力が 20% 減少します。

これらの力を計算する際には、濡れた面が乾いた面上にある場合と、濡れた面が濡れた面上にある場合とを区別する必要がある。

球状の先端の場合、力は次のようになります。

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}(\cos \theta +\cos \phi )\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)}$乾いた状態から濡れた状態へ、

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {dr_{0}}{dD}}}$ウェットオンウェット用、

ここで、θは乾燥球の接触角、 φは浸漬角であり、図に示すとおりである。

円錐形の先端の場合、式は次のようになります。

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {\tan \delta }{\cos \delta }}(\cos \theta +\sin \delta )(hD)\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)}$乾いた状態から濡れた状態へ

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}\left({\frac {1}{\cos \delta }}+\sin \delta \right)(r_{0})\left({\frac {dr_{0}}{dD}}\right)}$ウェットオンウェット用

ここで、δは半円錐角であり、r ₀とhはメニスカス形状のパラメータである。

カンチレバーのたわみ測定で最も一般的な方法は、ビーム偏向法です。この方法では、固体ダイオードからのレーザー光がカンチレバーの背面で反射され、近接した2つのフォトダイオードからなる位置検出器（PSD）によって収集されます。その出力信号は差動増幅器によって収集されます。 カンチレバーの角度変位によって、一方のフォトダイオードが他方のフォトダイオードよりも多くの光を収集し、出力信号（フォトダイオード信号の差をそれらの合計で正規化したもの）が生成されます。この出力信号はカンチレバーのたわみに比例します。ビーム偏向法の感度は非常に高く、適切に設計されたシステムでは、10 fm Hz ^{− 1 ⁄ 2}程度のノイズフロアを日常的に得ることができます。この方法は「光てこ法」と呼ばれることもありますが、ビーム経路を長くしても信号は増幅されません。光路が長くなると、フォトダイオード上の反射スポットの移動量は増加するが、回折によってスポットの幅も同じだけ広がるため、一方のフォトダイオードからもう一方のフォトダイオードへ伝わる光パワーは同じになる。集束レーザースポットがカンチレバー上に完全に収まるほど小さい限り、「光学的レバレッジ」（検出器の出力信号をカンチレバーのたわみで割った値）はビーム集束光学系の開口数に反比例する。また、カンチレバーの長さにも反比例する。

ビーム偏向法が比較的普及しているのは、その高い感度と簡単な操作性、そしてカンチレバーに電気接点やその他の特別な処理が不要で、鋭利な一体型先端部を比較的安価に製造できるという事実によるものと考えられる。

ビーム偏向測定には、他にも多くの方法が存在する。

• 圧電検出–石英^{[ 37 ]} （ qPlus構成 など）またはその他の圧電材料で作られたカンチレバーは、たわみを電気信号として直接検出できます。この方法では、10pmまでのカンチレバーの振動が検出されています。
• レーザードップラー振動計–レーザードップラー振動計は、振動するカンチレバーの非常に正確なたわみ測定に使用できます^{[ 38 ]} （そのため、非接触モードでのみ使用されます）。この方法は高価であり、比較的少数のグループのみが使用しています。
• 走査型トンネル顕微鏡（STM）—最初の原子顕微鏡は、たわみを測定するための独自のフィードバック機構を備えたSTMを使用しました。 ^{[ 8 ]}この方法は実装が非常に難しく、現代の方法と比較してたわみの変化に対する反応が遅いです。
• 光干渉法–光干渉法は、カンチレバーのたわみを測定するために使用できます。^{[ 39 ]} AFMで測定されるたわみはナノメートルスケールであるため、干渉計はサブフリンジ領域で動作し、レーザー出力や波長のドリフトが測定に大きな影響を与えます。これらの理由から、光干渉計による測定は、非常に安定したレーザーを使用して、細心の注意を払って行う必要があります（たとえば、光ファイバーの接合部間に屈折率整合液を使用するなど）。これらの理由から、光干渉法はめったに使用されません。
• 容量検出– 金属コーティングされたカンチレバーは、カンチレバーの後ろにある別の接点とコンデンサを形成できます。 ^{[ 40 ]}たわみによって接点間の距離が変化し、容量の変化として測定できます。
• ピエゾ抵抗検出– カンチレバーは、ひずみゲージとして機能するピエゾ抵抗素子を用いて作製することができる。ホイートストンブリッジを用いることで、たわみによるAFMカンチレバーのひずみを測定できる。^{[ 41 ]}ピエゾ抵抗検出はシステムからエネルギーを散逸させ、共振のQ値に影響を与えるため、真空アプリケーションでは一般的に使用されていない。

AFMは走査型電子顕微鏡（SEM）に比べていくつかの利点があります。試料の2次元投影または2次元画像を提供する電子顕微鏡とは異なり、AFMは3次元の表面プロファイルを提供します。さらに、AFMで観察される試料は、試料を不可逆的に変化または損傷させるような特別な処理（金属/炭素コーティングなど）を必要とせず、最終画像に帯電アーティファクトが発生することも通常ありません。電子顕微鏡は適切な動作のために高価な真空環境を必要としますが、ほとんどのAFMモードは、大気中または液体環境でも完全に機能します。これにより、生体高分子や生物を研究することが可能になります。原理的には、AFMはSEMよりも高い解像度を提供できます。超高真空（UHV）および最近では液体環境において、真の原子分解能が得られることが示されています。高解像度AFMは、走査型トンネル顕微鏡および透過型電子顕微鏡の解像度に匹敵します。 AFMは、蛍光顕微鏡や赤外分光法などのさまざまな光学顕微鏡や分光法技術と組み合わせることも可能で、走査型近接場光学顕微鏡、ナノFTIRを生み出し、その適用範囲をさらに拡大しています。AFMと光学機器を組み合わせた装置は、主に生物科学で応用されてきましたが、最近では太陽光発電^{[ 13 ]}やエネルギー貯蔵研究^{[ 46 ]} 、高分子科学^{[ 47 ]} 、ナノテクノロジー^{[ 48 ] [ 49 ]}、さらには医学研究^{[ 50 ]でも強い関心を集めています。}

走査型電子顕微鏡（SEM）と比較した原子間力顕微鏡（AFM）の欠点は、1回の走査で得られる画像サイズが小さいことです。SEMは1回の走査で数平方ミリメートル程度の領域を数ミリメートル程度の被写界深度で画像化できますが、AFMでは最大走査領域が約150×150マイクロメートル、最大高さが10～20マイクロメートル程度しか画像化できません。AFMの走査領域サイズを改善する方法の1つは、ヤスデのデータストレージと同様の方法で平行プローブを使用することです。

AFM のスキャン速度も制限要因です。従来、AFM は SEM ほど高速に画像をスキャンできず、一般的なスキャンには数分かかりますが、SEM は比較的低品質ではあるものの、ほぼリアルタイムでスキャンできます。AFM イメージング中のスキャン速度が比較的遅いため、画像に熱ドリフトが発生することが多く^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]、} AFM は画像上の地形的特徴間の正確な距離を測定するのに適していません。しかし、顕微鏡のスキャン生産性を向上させるために、いくつかの高速動作設計^{[ 54 ] [ 55 ]}が提案されており、その中には videoAFM と呼ばれるものも含まれています (videoAFM では、平均的な SEM よりも速いビデオ速度で、妥当な品質の画像が得られます)。熱ドリフトによって引き起こされる画像の歪みを排除するために、いくつかの方法が導入されています。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]}

AFM 画像は、圧電材料の非線形性、ヒステリシス^{[ 43 ]}、クリープ、およびx、y、z軸間のクロストークによっても影響を受ける可能性があり、ソフトウェアによる補正やフィルタリングが必要になる場合があります。このようなフィルタリングによって、実際の地形の特徴が「平坦化」される可能性があります。しかし、最新の AFM は、リアルタイム補正ソフトウェア (たとえば、特徴指向スキャン^{[ 44 ] [ 51 ]} ) またはクローズドループスキャナを使用しており、これらの問題を実質的に解消しています。一部の AFM では、(単一のチューブではなく) 分離された直交スキャナも使用しており、これもクロストークの問題の一部を排除するのに役立ちます。

他の画像処理技術と同様に、画像アーティファクトが発生する可能性があり、これは不適切なチップ、劣悪な操作環境、あるいは右図に示すようにサンプル自体によって引き起こされる可能性があります。これらの画像アーティファクトは避けられませんが、さまざまな方法でその発生と結果への影響を軽減できます。チップが粗すぎることによるアーティファクトは、たとえば、不適切な取り扱い、またはスキャン速度が速すぎたり、表面が不当に粗かったりしてチップが実際に摩耗することによるサンプルとの事実上の衝突によって引き起こされる可能性があります。

AFMプローブの特性上、通常は急峻な壁面や張り出し部を測定することはできません。しかし、特殊なカンチレバーとAFMを用いることで、プローブを上下方向だけでなく左右方向にも動かすことが可能となり（動的接触モードや非接触モードと同様）、側壁を測定することができます。ただし、その代償として、カンチレバーのコストが高くなり、横方向の解像度が低下し、アーティファクトも発生します。