Für besonders hohe Auflösungen eignen sich das Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskop (AFM / STM). Dabei wird die Oberfläche mittels einer ultrafeinen Spitze abgetastet und auf diese Weise ein 3-D-Bild der Oberfläche generiert. Hier werden laterale Auflösungen von 1–10 nm erreicht und vertikale Auflösungen von unter 1 nm. Monolagenstufen können aufgelöst werden. Das AFM eignet sich besonders zur Charakterisierung extrem glatter Oberflächen. Über Reibungsmikroskopie oder Modulationstechniken lassen sich Materialkontraste darstellen. Auch beim AFM lassen sich Rauhigkeit, Stufen oder Korngrößen vermessen, aber auch komplexere Größen wie Skewness, Kurtosis, Power Spectral Density, etc. Mit dem Gerät am Fraunhofer IST können Proben bis zu 10 cm Durchmesser und 3 cm Dicke untersucht werden.