位相イメージングは、異種材料や特性の不均一性を持つサンプルにおいて、ナノスケールの違いをイメージングするために用いられるAFM技術の一つです。位相コントラストは、チップとサンプル間の相互作用に基づきますが、これらの相互作用は、スキャンパラメーターや、イメージングの測定モード（原子間力の引力領域か斥力領域で捜査しているかなど）に依存します。O’DeaとBurratoは、位相イメージングを使用して、Nafion膜のプロトン伝導ドメインをマッピングしました。彼らは、先端とサンプルの間の特定の相互作用力がプロトン伝導ドメインの分解能に大きく影響することを発見しました。斥力レジームでのイメージングにより、ドメインの面積が大きめに表示され、ドメインの数が少なめに表示されました。引力領域でのイメージングにより、水やフルオロカーボンのドメインが最も正確に測定できました。AFMのフィードバックループが最適化されていない場合、またはカンチレバーが共振周波数を超えて駆動していた時、位相イメージングは組成の違いではなく、形状の変化に対応するイメージになりました。