納米技術(shù)的發(fā)展加劇了對能夠?qū)π潞铣傻募{米材料進(jìn)行化學(xué)表征的分析工具的需求。雖然電子顯微鏡（em）技術(shù)可以通過能量色散x射線分析來識別原子種類，但它們對識別分子材料的幫助不大。對于分子種類的鑒定，可以使用成熟的光學(xué)光譜（os）技術(shù)，如拉曼和傅里葉變換紅外（ftir）；它們的空間分辨率受衍射極限的制約，在1μm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足納米技術(shù)和納米材料研究人員的需要。原子力顯微鏡(atomic force microscope, afm)經(jīng)過30多年的發(fā)展后，從形貌測試及其它常規(guī)功能來看已經(jīng)非常成熟。然而常規(guī)的原子力顯微鏡也越來越無法滿足科研人員在納米尺度下對于樣品進(jìn)行多性質(zhì)原位測試分析的更高需求，尤其在化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等領(lǐng)域。
在具備所有常規(guī)原子力顯微鏡功能的條件下，基于的紅外光誘導(dǎo)力顯微鏡（photo-induced force microscope, pifm)技術(shù)，結(jié)合波長可調(diào)的可見-紅外光源，從而實現(xiàn)10nm以下空間分辨可見~紅外成像與光譜采集，無需遠(yuǎn)場光學(xué)接收器及光譜儀。此外，vistascope原子力顯微鏡還可以與各類拉曼光譜儀進(jìn)行聯(lián)用，組成目前市場上功能強大的原子力顯微鏡與可見-紅外-拉曼聯(lián)用系統(tǒng)，以滿足科研人員在納米尺度下的各種測試需求。
鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸層應(yīng)用
空穴傳輸層(htls)對反式鈣鈦礦太陽能電池(pscs)性能具有重大影響,因其顯著影響太陽光透過、鈣鈦礦結(jié)晶以及界面電荷提取、輸運、復(fù)合等性能。幾個納米至十幾個納米厚度的超薄htls在減少寄生吸收、降低電荷傳輸損失和材料成本等方面具有明顯優(yōu)勢。（nature-四川大學(xué)&廈門大學(xué)）
為了探究在ito上沉積的各種htls的均勻性，作者使用光誘導(dǎo)力顯微鏡（pifm）進(jìn)一步表征顯示：4padcb樣品顯示出最小的振幅變化，表明4padcb更均勻錨定在ito，而ptaa和4pacz顯示不均勻的電位分布。
有機太陽能電池相分離研究
為了進(jìn)一步了解熱退火處理對提高光伏性能的作用，對經(jīng)或未經(jīng)熱退火處理的sm1:idic混合膜的形態(tài)進(jìn)行了分析，并通過光誘導(dǎo)力顯微鏡（pifm）對其進(jìn)行了比較。
與普通的afm相位圖相比，pifm可以呈現(xiàn)出更好的分辨率，并更清楚地指出哪些相位區(qū)屬于供體或受體（chemistry of materials中科院化學(xué)所）。
三元有機太陽能電池復(fù)雜共混膜中供體和受體分布研究
作者使用非富勒烯受體 pdi-dpp-pdi作為第三組分，制備了三元有機太陽能電池，并且對三元共混膜的形貌進(jìn)行了深入的探究。用pifm/ir技術(shù)通過化學(xué)結(jié)構(gòu)的鑒定定性地研究共混膜中給受體材料的分布，同時定量地探測了pdi-dpp-pdi 受體材料對共混膜中納米區(qū)域和區(qū)域尺寸的影響（small methods-加拿大魁北克大學(xué)，國家科學(xué)研究院）。
鈣鈦礦光電傳感器離子遷移研究
作者研究了基于三元陽離子鹵化物（csfama）的鈣鈦礦圖像傳感器，該傳感器表現(xiàn)出全可視光譜的光伏行為和可重新配置的響應(yīng)性，當(dāng)這種傳感器被偏置時，電極/鈣鈦礦界面上離子物種的累積發(fā)生變化，這改變了光伏矩陣內(nèi)部的電位分布，這反過來又導(dǎo)致了光吸收曲線的變化。
為了觀察離子遷移的影響，使用pifm針尖作為電極，對傳感器施加應(yīng)力電壓，同時繪制650納米處的吸收強度曲線。通過研究表明電場誘導(dǎo)的csfama鈣鈦礦薄膜中的離子遷移幾乎是可逆的。
共軛聚合物離子遷移研究：
作者發(fā)現(xiàn)共軛聚合物pb2t-teg在電化學(xué)氧化和離子注入過程中可以發(fā)生可逆的結(jié)構(gòu)相變。作者使用光學(xué)顯微鏡和超分辨率光誘導(dǎo)力顯微鏡（pifm）觀察到的邊緣移動實驗，發(fā)現(xiàn)pb2t-teg中橫向傳播的離子極化子對邊緣表現(xiàn)出非fickian擴(kuò)散，保持了清晰的階梯邊緣輪廓，這與在p3meemt等聚合物中更常見的fickian擴(kuò)散形成了鮮明對比。這種結(jié)構(gòu)相變讓人想起lifepo4等無機材料中伴隨離子吸收的相變，在未來的共軛聚合物中進(jìn)行類似性質(zhì)的設(shè)計，有望實現(xiàn)在電化學(xué)儲能或神經(jīng)形態(tài)記憶應(yīng)用中具有優(yōu)異性能的新材料。
鋰電池脫鋰相變研究(lifepo4 -fepo4)
紅外光誘導(dǎo)力顯微鏡可以十分快速且方便地表征不同的化學(xué)相。作者研究了具有亞微米尺寸的部分脫鋰lixfepo4樣品的pifm和相關(guān)afm形貌。根據(jù)從文獻(xiàn)中獲得的ftir光譜，可以看出fepo4和lifepo4應(yīng)該分別對應(yīng)波數(shù)941 cm?1和1054 cm-1。這兩個波數(shù)的pifm圖像確實突出了樣品的不同區(qū)域，結(jié)果表明最終形成的是核殼結(jié)構(gòu)，和同步輻射的xas的表征結(jié)果吻合。
總結(jié)
光誘導(dǎo)力顯微鏡在新能源領(lǐng)域，可實現(xiàn)以下功能：
納米尺度下樣品對于激發(fā)光（中紅外波段）吸收的成像即納米紅外成像，可以觀察樣品的相分離情況；
納米尺度下樣品對于激發(fā)光（可見波段）吸收的成像；
光照條件或外壓條件下的cafm（表面電流）和kpfm（表面電勢）成像，并且可以把可見波段下光誘導(dǎo)力成像與cafm結(jié)果進(jìn)行對比。例如，可見光誘導(dǎo)力成像強度高的區(qū)域可以對應(yīng)上cafm的強度（光電流）高的區(qū)域。
相關(guān)表征案例參考文獻(xiàn)
he, r., wang, w., yi, z.et al. all-perovskite tandem 1 cm2 cells with improved interface quality. nature(2023).
morphology optimization via side chain engineering enables all-polymer solar cells with excellent fill factor and stability, j. am. chem. soc., 2018
a low cost and high performance polymer donor material for polymer solar cells, nat. commun., 2018
nanoscale domain imaging of all-polymer organic solar cells by photo-induced force microscopy, acs nano, 2018
a new strategy to construct low bandgap polymer acceptor for high performance all-polymer solar cells, angew. chem., 2017
all-small-molecule nonfullerene organic solar cells with high fill factor and high efficiency over 10%, chem. mater., 2017
chain engineering on medium bandgap copolymers to suppress triplet formation for high-efficiency polymer solar cells, adv. mater., 2017
direct-write optical patterning of p3ht films beyond the diffraction limit, adv. mater., 2016
a reversible structural phase transition by electrochemically-driven ion injection into a conjugated polymer，j. am. chem. soc., 2020
vista one platform:
visible ~ ir chemical imaging and spectroscopy, e-field imaging, photovoltage/current imaging with sub-10 nm spatial resolution.also being combined with confocal raman, pl imaging and other kinds of far field spectroscopy and optical microscopy.
molecular vista inc.，vista ir