一、什么是功函数
功函数（Work Function）是材料表面物理学中的一个关键参数，它描述了将电子从材料内部移动到真空中所需的最小能量。这一概念不仅在基础物理研究中具有重要地位，还在电子器件设计和表面科学等领域有广泛应用。
从量子力学的角度来看，功函数反映了材料费米能级与真空能级之间的能量差，即费米能级是电子在绝对零度时的最高占据能级，而真空能级则是电子在真空中静止时的能量。功函数的大小直接决定了电子从材料表面逸出的难易程度，因此对材料的电子发射特性（如热电子发射、光电发射等）有决定性影响。此外，功函数还与材料的表面态、吸附物以及外部环境（如温度、电场）密切相关，是表征材料表面电子行为的重要指标。
DOI: 10.23889/Suthesis.51283
二、影响功函数的关键因素
1.材料本征性质
不同材料的功函数因其电子结构的不同而存在显著差异。例如，金属的功函数通常较低（如铜为4.2 eV），而半导体或绝缘体的功函数较高。晶面取向也会对功函数产生影响，因为不同晶面的原子排列和电子密度分布不同。如下图中，(111)、（001）、（110）晶面的功函数分别为7.7 eV、8.0 eV、6.8 eV。这种差异源于不同晶面表面势垒高度的变化。
DOI:10.3390/c5030055
2.表面吸附与电荷转移
当吸附物（如原子、分子或离子）与基底材料表面接触时，两者之间会发生复杂的电子相互作用，导致界面电荷的重新分布。这种电荷重排会在界面区域形成一个定向的偶极层，其本质是吸附物与基底之间出现了局部的电荷分离。这种偶极层的存在会显著改变材料表面的静电势分布，从而调整电子逸出所需克服的表面势垒高度。例如：Ag表面吸附苯分子：DFT计算显示，苯吸附通过键偶极子效应（泡利排斥主导）降低功函数，与STM实验结果一致
DOI：10.1088/1361-648X/aa693e
3.应变与外部电场
材料在应变作用下，其晶格常数和电子结构会发生变化，进而影响费米能级的位置和功函数。例如，纳米带在拉伸或压缩应变下，功函数会随晶格形变发生显著变化。此外，外加电场可以通过改变表面电子分布来调节功函数。在Ag/W(001)吸附系统中，电场的作用会导致界面电荷重新分布，功函数随电场强度的变化呈现线性关系。这种效应在电子器件（如场效应晶体管）的设计中尤为重要。
DOI: 10.7498/aps.71.20211748
DOI: 10.7498/aps.51.1591
4.温度与表面结构
温度升高可能导致表面原子重排或相变，从而改变功函数。例如，钨（W）单晶(100)晶面的功函数随温度升高而降低，这是因为高温下表面原子振动加剧，电子逸出势垒减小。此外，表面杂质（如碳或氧）的掺杂也会显著影响功函数。杂质原子可能占据特定的表面位点，形成局域电子态，进而改变表面势垒高度。这种效应对高温环境下的材料性能研究尤为重要。
DOI: 10.2172/993887
三、功函数的应用场景
1.光电探测与成像技术
功函数影响光电探测器（如光电二极管、光电倍增管）的量子效率。通过优化电极材料的功函数，可以提高光电子发射效率，增强器件的响应速度和灵敏度。例如，在紫外探测器中，高功函数材料（如铂）可减少暗电流，提高信噪比。此外，功函数调控还可用于红外成像和X射线探测器的设计。
2.能源存储与转换
锂/钠离子电池：电极材料的功函数影响电子传输和界面电荷转移。例如，高功函数的正极材料（如LiCoO₂）可提高电池的开路电压，而低功函数的负极材料（如石墨）可优化锂离子嵌入效率。
超级电容器：功函数差异影响双电层电容和法拉第反应。通过调控电极材料的功函数，可以优化电荷存储密度和充放电速率。
3.环境与能源催化
CO₂还原与制氢：功函数调控可优化催化剂表面的电荷转移，提高反应选择性。例如，金属–半导体异质结（如Cu/TiO₂）的功函数差异可促进CO₂转化为CH₄或CO。
燃料电池：在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，阴极催化剂（如Pt/C）的功函数影响氧还原反应（ORR）动力学，进而决定电池效率。
4.纳米材料与低维器件
石墨烯与二维材料：功函数随层数、掺杂和应变变化，可用于设计可调谐电子器件。例如，单层MoS₂的功函数可通过电场调控，应用于柔性逻辑电路。
纳米线/量子点器件：功函数影响纳米结构的能带对齐，在单电子晶体管和光电存储器中有重要应用。
四、文献解析：通过S 型 AgI/Cu-BiVO4 异质结增强过一硫酸盐活化，实现高效光催化有机物降解和铜绿微囊藻灭活：性能、界面工程和机制见解
在光催化领域，如何让电子“听话”地定向转移，是提升催化效率的关键。近期，长安大学团队在《Applied Catalysis B》发表了一项突破性研究，通过调控AgI/Cu-BiVO₄异质结的功函数，成功构建了高效的S型电荷转移，实现了抗生素降解和藻类灭活的双重目标。这项研究不仅为环境治理提供了新思路，更揭示了功函数在光催化设计中的核心作用。
（DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.124007）
图中(d)-(i)通过关键数据揭示了功函数（Φ）在调控BiVO₄/AgI异质结电荷转移中的核心作用。BiVO₄、Cu-BiVO₄和AgI的功函数分别为5.19 eV、6.94 eV和4.65 eV，显著差异直接驱动了界面电荷的定向迁移。
由于AgI的功函数最低（4.65 eV）且费米能级（-2.30 eV）高于Cu-BiVO₄（-3.69 eV），接触后电子自发从AgI流向Cu-BiVO₄，直至两者费米能级达到平衡。这一过程引发能带弯曲：AgI因失电子（氧化）导致能带向上弯曲，而Cu-BiVO₄因得电子（还原）使能带向下弯曲，最终在界面形成由AgI指向Cu-BiVO₄的内建电场（BIEF）。BIEF的建立不仅加速了光生电荷的分离，还通过S型机理促使Cu-BiVO₄导带电子与AgI价带空穴复合，保留高能载流子以增强氧化还原能力。功函数的差异是这一系列能带调整和电荷转移的初始驱动力，其作用通过XPS验证的界面电子密度变化得到实验支持。研究明确了功函数作为异质结设计的核心参数，可通过调控材料组合优化光催化性能。
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