纳米技术的发展加剧了对能够对新合成的纳米材料进行化学表征的分析工具的需求。虽然电子显微镜（EM）技术可以通过能量色散X射线分析来识别原子种类，但它们对识别分子材料的帮助不大。对于分子种类的鉴定，可以使用成熟的光学光谱（OS）技术，如拉曼和傅里叶变换红外（FTIR）；它们的空间分辨率受衍射极限的制约，在1μm左右，远远不能满足纳米技术和纳米材料研究人员的需要。原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)经过30多年的发展后，从形貌测试及其它常规功能来看已经非常成熟。然而常规的原子力显微镜也越来越无法满足科研人员在纳米尺度下对于样品进行多性质原位测试分析的更高需求，尤其在化学、光学、电学、热学、力学等领域。

在具备所有常规原子力显微镜功能的条件下，基于的红外光诱导力显微镜（Photo-induced Force Microscope, PiFM)技术，结合波长可调的可见-红外光源，从而实现10nm以下空间分辨可见~红外成像与光谱采集，无需远场光学接收器及光谱仪。此外，VistaScope原子力显微镜还可以与各类拉曼光谱仪进行联用，组成目前市场上功能强大的原子力显微镜与可见-红外-拉曼联用系统，以满足科研人员在纳米尺度下的各种测试需求。

钙钛矿太阳能电池空穴传输层应用

空穴传输层(HTLs)对反式钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能具有重大影响,因其显著影响太阳光透过、钙钛矿结晶以及界面电荷提取、输运、复合等性能。几个纳米至十几个纳米厚度的超薄HTLs在减少寄生吸收、降低电荷传输损失和材料成本等方面具有明显优势。（Nature-四川大学&厦门大学）

为了探究在ITO上沉积的各种HTLs的均匀性，作者使用光诱导力显微镜（PiFM）进一步表征显示：4PADCB样品显示出最小的振幅变化，表明4PADCB更均匀锚定在ITO，而PTAA和4PACz显示不均匀的电位分布。

有机太阳能电池相分离研究

为了进一步了解热退火处理对提高光伏性能的作用，对经或未经热退火处理的SM1:IDIC混合膜的形态进行了分析，并通过光诱导力显微镜（PiFM）对其进行了比较。

与普通的AFM相位图相比，PiFM可以呈现出更好的分辨率，并更清楚地指出哪些相位区属于供体或受体（CHEMISTRY OF MATERIALS中科院化学所）。

三元有机太阳能电池复杂共混膜中供体和受体分布研究

作者使用非富勒烯受体 PDI-DPP-PDI作为第三组分，制备了三元有机太阳能电池，并且对三元共混膜的形貌进行了深入的探究。用PiFM/IR技术通过化学结构的鉴定定性地研究共混膜中给受体材料的分布，同时定量地探测了PDI-DPP-PDI 受体材料对共混膜中纳米区域和区域尺寸的影响（Small Methods-加拿大魁北克大学，国家科学研究院）。

钙钛矿光电传感器离子迁移研究

作者研究了基于三元阳离子卤化物（CsFAMA）的钙钛矿图像传感器，该传感器表现出全可视光谱的光伏行为和可重新配置的响应性，当这种传感器被偏置时，电极/钙钛矿界面上离子物种的累积发生变化，这改变了光伏矩阵内部的电位分布，这反过来又导致了光吸收曲线的变化。

为了观察离子迁移的影响，使用PiFM针尖作为电极，对传感器施加应力电压，同时绘制650纳米处的吸收强度曲线。通过研究表明电场诱导的CsFAMA钙钛矿薄膜中的离子迁移几乎是可逆的。

共轭聚合物离子迁移研究：

作者发现共轭聚合物PB2T-TEG在电化学氧化和离子注入过程中可以发生可逆的结构相变。作者使用光学显微镜和超分辨率光诱导力显微镜（PiFM）观察到的边缘移动实验，发现PB2T-TEG中横向传播的离子极化子对边缘表现出非Fickian扩散，保持了清晰的阶梯边缘轮廓，这与在P3MEEMT等聚合物中更常见的Fickian扩散形成了鲜明对比。这种结构相变让人想起LiFePO4等无机材料中伴随离子吸收的相变，在未来的共轭聚合物中进行类似性质的设计，有望实现在电化学储能或神经形态记忆应用中具有优异性能的新材料。

锂电池脱锂相变研究(LiFePO4 -FePO4)

红外光诱导力显微镜可以十分快速且方便地表征不同的化学相。作者研究了具有亚微米尺寸的部分脱锂LixFePO4样品的PiFM和相关AFM形貌。根据从文献中获得的FTIR光谱，可以看出FePO4和LiFePO4应该分别对应波数941 cm−1和1054 cm-1。这两个波数的PiFM图像确实突出了样品的不同区域，结果表明最终形成的是核壳结构，和同步辐射的XAS的表征结果吻合。

总结

光诱导力显微镜在新能源领域，可实现以下功能：

• 纳米尺度下样品对于激发光（中红外波段）吸收的成像即纳米红外成像，可以观察样品的相分离情况；

• 纳米尺度下样品对于激发光（可见波段）吸收的成像；

• 光照条件或外压条件下的CAFM（表面电流）和KPFM（表面电势）成像，并且可以把可见波段下光诱导力成像与CAFM结果进行对比。例如，可见光诱导力成像强度高的区域可以对应上CAFM的强度（光电流）高的区域。

相关表征案例参考文献

1. He, R., Wang, W., Yi, Z.et al. All-perovskite tandem 1 cm2 cells with improved interface quality. Nature(2023).

2. Morphology Optimization via Side Chain Engineering Enables All-Polymer Solar Cells with Excellent Fill Factor and Stability, J. Am. Chem. Soc., 2018

3. A low cost and high performance polymer donor material for polymer solar cells, Nat. Commun., 2018

4. Nanoscale Domain Imaging of All-Polymer Organic Solar Cells by Photo-Induced Force Microscopy, ACS Nano, 2018

5. A New Strategy to Construct Low Bandgap Polymer Acceptor for High Performance All-Polymer Solar Cells, Angew. Chem., 2017

6. All-Small-Molecule Nonfullerene Organic Solar Cells with High Fill Factor and High Efficiency over 10%, Chem. Mater., 2017

7. Chain Engineering on Medium Bandgap Copolymers to Suppress Triplet Formation for High-Efficiency Polymer Solar Cells, Adv. Mater., 2017

8. Direct-Write Optical Patterning of P3HT Films Beyond the Diffraction Limit, Adv. Mater., 2016

9. 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