Aus den Wechselwirkungen zwischen einer spitzen Sonde und einer Oberfläche lassen sich Informationen über lokale physikalische Eigenschaften einer Probe erhalten.
Beim Rastertunnelmikroskop wird eine nadelförmige Metallspitze in die Nähe einer leitenden Oberfläche gebracht. Wenn eine elektrische Spannung zwischen Spitze und Oberfläche angelegt wird, fliesst auch ohne elektrischen Kontakt ein schwacher Tunnelstrom. Die Stromstärke ist exponentiell abhängig vom Abstand der beiden Leiter:
Konstant-halten des Stromes bedeutet somit Konstant-halten des Abstandes. Der Abstand wird über ein Piezokristall eingestellt. Wenn die Sonde zeilenförmig im Abstand von einigen Ångström über die Oberfläche geführt wird, liefern die Steuerströme des Piezokristalls die Information über die Oberflächenstruktur der Probe bis hin zu atomarer Auflösung .
Für nicht leitende Oberflächen eignet sich ein anderes Verfahren, bei dem die zwischen Spitze und Probe herrschenden abstossenden und anziehenden Kräfte genutzt werden (Rasterkraft Mikroskop). Die Sondenspitze ist an der Unterseite eines kleinen Federarmes (Cantilever) befestigt, auf den die auf die Spitze einwirkende Kraft übertragen wird. Die Messung der Auslenkung des Cantilevers geschieht über die Reflexion eines Laserstrahles.
Man unterscheidet man zwei Messarten, den contact Modus für abstossende Kräfte, bei dem die statische Deformation des Cantilevers über eine Laserreflexion gemessen wird:
Beim dynamischen non-constact Modus deformieren die anziehenden Kräfte zwischen Probe und Sonde den Cantilever etwas. Dadurch wird die Eigenschwingfrequenz des Cantilevers erhöht. Wenn somit der Cantiler zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, ist die Phasenlage und Amplitude der erzwungenen Schwingung von der Stärke der Cantilerbiegung, also der anziehenden Kraft abhängig. Man erhält so indirekt eine Kraftmessung.