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名义上无水矿物（NAMs）中水的含量与分布通常通过傅里叶变换红外光谱测定。该方法受限于光束斑尺寸，仅能研究尺度大于数微米的样品。本文通过镁橄榄石晶界水浓度分布研究，证明了光诱导力显微镜在测量纳米尺度NAMs样品水含量的潜力。该技术进展将推动细粒岩石基质中水赋存形态与扩散行为的研究，并有助于确定纳米级异质性对NAMs中水掺入的影响机制。

叠层有机太阳能电池采用单片集成两个电池单元的器件结构，以拓宽整体吸收光谱并更高效利用光子能量。本研究通过在小分子受体Y6的核心与端基间插入双键的简易策略，延长其共轭长度并扩展吸收范围，成功合成出光学带隙为1.21 eV的新型窄带隙受体BTPV-4F。以BTPV-4F为受体的单结器件实现了超过13.4%的功率转换效率，并具备28.9 mA cm-2的高短路电流密度。采用BTPV-4F作为后电池受体材料时，叠层器件达到超过16.4%的转换效率且具有良好光稳定性。结果表明BTPV-4F是一种高效的红外吸收窄带隙受体，在叠层有机太阳能电池中具有重要应用潜力。

现代光学纳米元件不断追求更小尺寸与个性化功能。其中能高效操控光磁场的元件虽具广阔应用前景，却面临重大挑战：传统光学远场表征技术无法重构磁近场分布。本文提出光诱导磁力显微镜技术，可实现纳米尺度光磁场的直接与专属性探测。该仪器采用磁性纳米探针，在结构化光照下产生专属性磁激发。该探针通过检测光诱导磁力进行探测——该力定义为作用于探针内光诱导磁偶极子的偶极洛伦兹力。由于所产生的磁力与入射磁场强度成正比，通过测量力值即可揭示纳米尺度的磁近场分布。该仪器的提出标志着向单纳米元件光学器件中实现全面电、磁近场检测与操控迈出了关键一步。

催化剂性能取决于其纳米尺度特性。然而，催化材料结构与组成的非均质性，使得直接监测并确定局部物理化学参数对其整体反应活性的影响变得困难。傅里叶变换红外光谱（FTIR）虽已被广泛用于探究催化材料的反应机理，但由于衍射极限的限制，红外测量的空间分辨率最优仅能达到微米量级。本篇综述将介绍红外纳米光谱技术领域的最新进展，该技术能够在纳米尺度获取精细化学信息，并识别影响催化剂整体性能的各种纳米级特性。具体而言，我们将探讨红外散射扫描近场光学显微镜（IR-SNOM）和光热诱导共振光谱（亦称原子力显微镜-红外联用技术，AFM-IR）的工作原理，并重点评述这些技术在揭示催化剂特性方面应用的典型案例。最后，我们将探讨将红外纳米光谱测量范围拓展至工况模式（operando-mode）所面临的技术挑战与机遇，该模式有望在反应条件下以纳米级分辨率监测催化反应中反应物到产物的转化过程。

红外光诱导力显微镜（IR-PiFM）是一种扫描探针光谱技术，可在纳米尺度上映射样品的形貌与化学特性。对于具有纳米周期性的制备样品（如嵌段共聚物薄膜的自组装结构），IR-PiFM可相对简便地实现化学表征。尽管IR-PiFM技术已取得成功，但其光谱对比度的起源仍不明确，阻碍了科学界开展定量测量研究。本文通过实验探究了IR-PiFM记录振动共振的对比度机制。研究表明，样品的光谱测量信息直接关联于振荡悬臂中损失的能量——这是分子在其振动光学共振处被激发的直接结果，称为光机械阻尼。悬臂的品质因子（Q值）与样品的局域极化率可通过数学关联实现定量分析。本文引入耗散型针尖-样品相互作用的基本理论，以模拟观测到的光机械阻尼现象。

等离激元衰变诱导的热电子注入可实现飞秒尺度的超快电子转移，使金属纳米颗粒（MNPs）在高速光电子学中具有广阔应用前景。理论预测表明，钯（Pd）因其费米能级附近更高的态密度，相较于传统等离激元纳米颗粒能更高效激发热电子。本研究通过共聚焦开尔文探针力显微镜探究了Pd纳米颗粒的光学特性及等离激元诱导的热电子注入效应。基于表面电位重分布的分析表明，Pd纳米颗粒可在可见光范围内引发高密度热电子转移。根据光电场效应晶体管的光电流特性测试，Pd纳米颗粒与氧化钛（TiOₓ）协同作用，在450 nm光激发下因热电子注入改善TiOₓ薄膜电子耗尽状态，从而实现光电流的快速提升。该结果证实Pd热电子在可见光区具有光电子应用所需的能量特性。

形态稳定性对聚合物太阳能电池（PSCs）的长期稳定性至关重要。许多高效PSCs因亚稳态形貌导致器件严重衰减。本研究通过无规共聚策略调控氯化苯并二噻吩-4,8-二酮（T1-Cl）含量，开发了一系列共聚物。发现所有共聚物在薄膜中均可自组装成纤维状纳米结构。通过调节T1-Cl含量可有效控制聚合物结晶度与纤维宽度。当与多种非富勒烯受体（如TTPTT-4F、O-INIC3、EH-INIC3和Y6）共混时，优化的纤维互穿形态不仅有利于电荷传输，还能抑制活性层中有害的分子扩散与聚集，从而实现优异的形态稳定性。该工作证明了优化纤维网络形态对实现高效率与环境稳定性PSCs的重要性，并为化学结构对纤维网络形态及光伏性能的影响提供了新见解。

光生载流子的有效分离与传输是太阳能转换中的共性难题。功能纳米结构附近的强局域电场可抑制电荷复合，提升能量效率与光催化活性。然而，常见金属基光催化体系在导电基底上存在红外光能利用率低、界面质量与稳定性不足，以及高复杂度与成本等问题。本研究开发了一种同时具备红外局域场增强、高电导率与界面稳定性的光催化纳米天线。该纳米天线通过等离子体法制备全碳垂直石墨烯纳米花瓣（GPs），并与高性能无金属半导体石墨相氮化碳（g-C₃N₄）光催化剂共价界面耦合。利用光诱导力显微镜获取了近红外与中红外波段沿垂直立式超锐利GP边缘纳米天线的局域电场增强实空间图像。光电流、电化学阻抗谱与时间分辨光致发光谱证实：GP边缘纳米天线显著增强了光生载流子分离效率，加速了载流子迁移，并延长了载流子寿命。同时验证了花瓣边缘纳米天线的可规模化制备特性。这种独特的石墨烯纳米结构具有优异的光谱特性，对光催化、光伏、太阳能热脱盐与净化等大规模太阳能捕获应用具有重要意义。

图a–n依次展示了CsFAMA薄膜的光诱导力显微镜（PiFM）图像：a) 原始状态；b–f) 施加-1至-0.2 V幅值电压应力后；i–n) 施加0至1 V幅值电压应力（步进0.2 V）后。g,h) 钙钛矿光伏传感器器件在正/负电压应力下的工作示意图。SV和RV分别代表应力电压与读取电压。钙钛矿层中的红色球体、黄色球体及绿色八面体分别代表CsFAMA中的阳离子FA⁺/MA⁺物种、阴离子I⁻/Br⁻物种以及阴离子PbI₂.₅₅Br₀.₄₅⁻。为清晰展示，迁移的阳离子FA⁺/MA⁺与阴离子I⁻物种未按比例绘制。 传统人工视觉系统依赖基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的图像传感器与现场可编程门阵列（FPGA）将光信号转换为电压脉冲，还需额外神经网络执行目标识别的卷积运算（该功能近年多由忆阻器交叉阵列实现）。兼具自适应图像传感与传感器内计算能力的机器视觉，既可智能精准捕获环境视觉信息，又能通过避免传感器与计算单元间海量数据传输实现原位高效图像处理[20, 29]。这对终端用户应用至关重要——例如车辆自动驾驶中道路障碍物的即时检测与规避。 乘积累加运算（MAC）是人工神经网络中目标识别卷积的核心模块。互联传感器的交叉架构与并行操作可通过基尔霍夫定律自然实现电流求和，而乘法运算可借助欧姆定律I = G·V实现（其中G代表电导）。本研究CsFAMA器件的电流-电压特性表现出对光照的强依赖性（图3e）。将器件电导与光电流对照辐照强度P重绘，呈现G = a·P + G₀与I = aV·P + I₀ = R·P + I₀（即I − I₀ = aV·P = R·P）的线性关系，满足神经网络乘法需求。式中a为前置常数，G₀与I₀分别为暗态电导与电流，R = aV数学上等价于系统光响应度（图3f）。值得注意的是，CsFAMA器件的光响应度是钙钛矿内部离子态的函数，且可通过偏压V非易失性调控（如先前论证），使其可作为线性可更新突触权重，通过光电方式训练钙钛矿光伏传感器阵列执行目标识别任务，无需额外神经网络硬件。

本文提出一种用于双级纳米定位系统的闭环控制框架，该框架允许用户根据各作动器的量程能力分配控制任务。作者近期研究聚焦于作为预滤波器实现的双级作动器基于量程的控制方法，其前提是每个作动器均具备传感器反馈以实现独立控制。本文旨在解决当传感器仅能获取系统总输出测量值（常见设计架构）时双级系统的基于量程控制问题。这与既往研究存在显著差异——由于基于量程的滤波器被纳入双级系统反馈回路，稳定性成为关键考量。本研究不仅提出控制器设计，更确定了稳定性条件，并在原子力显微镜（AFM）上完成成像实验。跟踪结果表明：相较于基于频率的控制方法，所提出的基于量程控制结构对各种三角波参考轨迹的均方根（RMS）跟踪误差最高降低50%。

本研究通过一系列结构与光谱技术（包括首次应用光诱导力显微镜PiFM绘制结构导向剂在生长纳米粒子表面的形貌分布），探究了水热条件下两种不同结构导向剂存在时氯化铁溶液中赤铁矿纳米颗粒生长的控制机制。研究表明，通过磷酸根离子浓度可控制纳米粒子形状，其上限确定为~6×10⁻³ mol。四方纤铁矿（β-FeOOH）是无结构导向剂时纳米颗粒的主要组分，但在磷酸根存在时仅出现在颗粒生长的极早期（＜8 h）。PiFM数据显示磷酸根离子吸附区域与四方纤铁矿在表面持续存在的区域之间存在关联。相比之下，当1,2-二氨基丙烷存在时，针铁矿（α-FeOOH）是赤铁矿纳米棒的直接观测前驱体。PiFM显示针铁矿位于生长颗粒中心，这与氢氧化铁重新溶解并在纳米棒末端沉淀为赤铁矿的机制相符。

黑磷量子点（BPQDs）作为二维范德华晶体，具有卓越的电子与光电子特性。其超高空穴迁移率与厚度依赖型可调直接带隙，可充分满足聚合物太阳能电池（PSCs）在不同活性层体系中对可调控能级的需求。器件中形成的优化能级排列显著有利于电荷传输、激子解离并降低电荷复合，从而提升功率转换效率（PCE）。本研究将其作为界面改性剂（IM）引入富勒烯与非富勒烯体系PSCs的空穴传输层（HTL）修饰，成功在阳极与聚合物给体间构建阶梯能带结构。在PTB7-Th:PC₇₁BM体系中，PCE从8.12%提升至9.11%；在PM6:IT-4F体系中，PCE从11.65%增强至12.81%。本工作将BPQDs用作传统器件的空穴传输层界面改性剂，为光伏研究开辟了新路径。

对生物化学功能化单纳米粒子的化学表征是优化纳米粒子表面功能以适配先进纳米生物应用的必然需求，但由于技术瓶颈尚未得到充分探索。本研究利用光照射纳米针尖所产生的作用力，在常环境条件下实现了单层配体功能化金纳米粒子的纳米尺度中红外高光谱成像（空间分辨率10 nm）。进一步将研究扩展至纳米级异质化学污染物的诊断——这些污染物源于粒子功能化过程，但传统系综平均成像技术无法检测。通过光诱导力显微镜中金涂层针尖与功能化纳米粒子间结区的强局域化针尖增强力，实现了远超传统方法的高灵敏度与高空间分辨率。该研究为在单组分水平直接检测异质纳米化学物质开辟了新途径，对生物医学应用中纳米材料的安全性评估具有重要意义。

集成光电化学器件依靠组件间的协同效应，高效地将太阳能转化为可持续燃料。组件及其界面的微纳尺度特性常控制着器件的关键过程，如电荷载流子产生、电子与离子传输、表面电势及电催化反应。理解这些组件的空间特性与构效关系，可为设计可扩展的高效太阳能燃料组件与系统提供重要依据。基于原子力显微镜（AFM）的新兴扫描探针技术，能够以纳米级空间分辨率对这些过程进行原位或非原位探测。本文展望了AFM技术在太阳能燃料研究中的最新进展，重点综述以下领域：(1) 稳态与动态光诱导表面光电压测量；(2) 解析电荷载流子异质性与结区能量学的纳米电导测量；(3) 液相环境中形貌演变、表面电化学势、电流与光电压的操作中原位研究。未来研究方向包括：(1) AFM测量中环境条件的精确控制；(2) 电极腐蚀与形貌演变的原位可视化；(3) 实现局部催化活性与光诱导电流/电势纳米级映射的操作中AFM技术。

铜在近红外区域的表面等离激元共振为增强上转换发光提供了新方法，与金、银相比具有显著成本优势。本研究通过制备TiO₂覆盖的平面铜膜增强上转换荧光强度。结果表明，旋涂法制备的铜/二氧化钛纳米复合膜对NaGdF₄:Er³⁺, Yb³⁺结构无影响。覆盖TiO₂后铜膜吸收波长从原可见光区（约600 nm）移至红外区，其中覆盖16 nm双层TiO₂的铜膜吸收峰出现在835 nm（源于激发场增强）。在980 nm激发下研究了该纳米复合膜与NaGdF₄:Er³⁺, Yb³⁺的相互作用，为金属增强荧光研究提供新途径。荧光光谱在542 nm和660 nm处分别显示不同发射峰，铜纳米粒子覆盖的TiO₂层可显著增强荧光强度，对NaGdF₄:Er³⁺和Yb³⁺纳米粒子的最大增强因子分别达3.1和1.9。

非富勒烯受体（NFAs）在高效率有机太阳能电池（OSCs）中备受关注。虽然分子特性（包括结构与能量学）对电荷转移的影响已被广泛研究，但宏观相特性的作用仍有待揭示。本研究通过结合具有高时间分辨率的超快光谱技术与具备高空间及化学分辨率的光诱导力显微镜（PiFM），探究了纳米尺度相形貌对光激发空穴传输（HT）过程及光伏性能的关联机制。在PM6/IT-4F体系中，观察到双相空穴传输行为：次要的超快（＜100 fs）界面过程与主要的扩散介导空穴传输过程（持续至∼100 ps），后者强烈依赖于相分离程度。由于电荷转移与输运的相互作用，非富勒烯受体20-30 nm的折衷域尺寸表现出最佳性能。本研究强调了相形貌在高效率有机太阳能电池中的关键作用。

具有可控尺寸与形貌的介孔二氧化硅颗粒对众多应用具有潜在价值，但其制备工艺复杂限制了实际应用。生物模板法为合成特定形貌材料提供了简易途径。本研究通过基因操作在大肠杆菌表面展示硅亲和素衍生5R5蛋白质，采用仿生设计原理。基因改造后的大肠杆菌作为三维模板调控棒状二氧化硅合成：硅化作用在5R5蛋白功能引导下始于细胞表面，随后逐渐填充内部空间。密度泛函理论（DFT）模拟揭示了原子尺度上二氧化硅前驱体与R5多肽的界面相互作用，发现生物硅化过程中该蛋白发生显著构象变化。带正电残基（Lys4、Arg16、Arg17）与带负电的硅酸乙酯间静电相互作用贡献了高亲和力；Arg16（OH）、Arg17（OH与NH）、Leu19（OH）残基与形成中的二氧化硅聚集体间产生氢键。此外，细菌模板衍生的棒状二氧化硅经碳化后可转变为由碳包覆纳米粒子组成的介孔SiOx纳米棒，该材料展现出优异的锂存储性能。