说明：异质结是由两种不同禁带宽度的半导体材料（如硅与化合物半导体）在原子级尺度上紧密接触形成的界面结构，其界面处能带结构的不连续性使其具备独特的电学和光学特性。
例如，在太阳能电池领域，异质结电池（HJT）通过非晶硅与晶体硅结合，可降低界面复合速率、提高光吸收效率，兼具高转换效率（目前实验室效率超 26%）和低温度系数等优势；在电子器件中，异质结可用于制造高频晶体管、量子阱激光器等，利用能带工程调控载流子传输和复合过程。
异质结技术融合了不同材料的优势，在能源、通信、光电子等领域展现出重要应用价值，是半导体领域的研究热点之一。
引言
异质结作为两种不同半导体（或金属/ 半导体）的界面结构，其核心价值在于通过调控载流子输运与能带特性，催生突破性器件功能。从高效太阳能电池的电荷分离机制，到二维材料器件的谷电子学特性，异质结的原子级界面行为始终是决定器件性能的关键。
然而，实验手段难以直接解析界面处的电荷分布与能带演化，理论计算因此成为揭示微观机制的核心工具—— 通过模拟能带对齐、肖特基势垒等关键参数，计算可精准指导材料设计，推动异质结从实验室走向产业化。
https://doi.org/10.1039/D2RA08143A
核心方法：多维度模拟的技术基石
第一性原理的原子级解析
密度泛函理论（DFT）构成了异质结电子结构计算的核心框架。例如，在 Pt-C₃N₄/BiOCl S 型异质结中，DFT 通过计算电荷密度差，清晰揭示了界面处电子从 BiOCl 向 C₃N₄的转移路径，进而阐明内建电场的形成机制。
对于二维材料异质结（如 MoS₂/WS₂），范德华（vdW）修正的引入至关重要 —— 层间弱相互作用的精确描述，直接影响层间激子束缚能的计算精度。超胞模型则通过模拟晶格失配与应变调控，为 GaAs/AlGaAs 量子阱的能带工程提供了理论依据。
能带对齐与界面态的精准建模
真空能级对齐法通过独立材料的功函数计算能带偏移，成为预测异质结光伏性能的关键工具。以钙钛矿异质结（MAPbI₃/TiO₂）为例，该方法可定量评估界面处的电荷提取效率。
界面电荷转移机制的研究则揭示了金属 – 半导体接触的本质：在 MoS₂/Au 体系中，DFT 计算表明界面处的 Au 原子与 S 原子形成弱共价键，导致肖特基势垒降低，这一发现为欧姆接触的优化提供了方向。
此外，界面缺陷（如空位或吸附原子）诱导的陷阱态可通过态密度（DOS）分析揭示，例如 MoSSe/WS₂异质结中，界面硫空位导致的局域态会显著抑制载流子分离效率。
https://doi.org/10.1039/D0RA04833J
输运性质与多尺度模拟的突破
非平衡格林函数（NEGF）与 DFT 的结合，使异质结电流 – 电压特性的原子级模拟成为可能。在铁磁金属（Co）/ 半导体异质结中，该方法成功预测了自旋极化电流的注入效率，为自旋电子器件设计提供了理论支撑。
对于大尺度体系，玻尔兹曼输运方程（BTE）被用于预测热电性能与载流子迁移率，例如在钙钛矿异质结中，通过 BTE 模拟界面粗糙度对声子散射的影响，可优化热输运性能。多尺度方法中，机器学习势函数加速了钙钛矿异质结的动力学模拟，而相场模型则被用于研究 BiFeO₃基多铁薄膜的界面相变过程。
典型案例：计算驱动的异质结创新
半导体– 半导体异质结：III-V 族 GaAs/AlGaAs 异质结通过能带工程设计量子阱，其电子 confinement 效应被 DFT 精确模拟，直接推动了高性能激光器的发展；钙钛矿异质结的 DFT + 分子动力学模拟则揭示，界面处的甲脒离子取向紊乱会导致电荷复合加剧，为界面钝化技术提供了靶点。
二维材料异质结：过渡金属硫族化物（TMDC）异质结（如 MoSSe/MoS₂）的层间激子行为通过 vdW-DFT 模拟预测，声子态离域效应被证实可增强载流子分离效率；石墨烯 /h-BN 莫尔超晶格的平带特性计算，揭示了转角角度对电子关联效应的调控机制，为拓扑量子器件奠定了基础。
https://doi.org/10.1039/D2CP03761K
金属 – 半导体异质结：Pd/MoS₂界面的化学键合机制研究表明，Pd 原子的 d 轨道与 MoS₂的 p 轨道杂化可降低肖特基势垒高度；在 CrI₂/NbSe₂异质结中，自旋极化 DFT 预测了拓扑超导态的存在，为马约拉纳费米子的实验观测提供了理论指引。
挑战与前沿：从算法到硬件的突破
当前异质结计算面临三大挑战：大体系DFT 的高计算成本、外场下动态界面响应的模拟瓶颈，以及理论预测与实验数据的偏差。应对策略包括：高通量计算构建界面数据库（如Materials Project 的异质结模块），通过机器学习算法（如深度强化学习）筛选最优材料组合，以及混合量子 – 经典计算技术的探索 —— 量子计算在拓扑异质结马约拉纳零能模模拟中的应用潜力已初现端倪。
未来图景：计算驱动的器件革命
在器件设计层面，理论计算正推动高效太阳能电池的能带梯度优化（如钙钛矿 / 有机异质结的级联电荷转移）与低功耗晶体管的界面隧穿抑制（如二维材料异质结场效应管）。新兴领域中，拓扑异质结（如 Bi₂Se₃/ 超导体界面）的拓扑超导态计算、二维材料异质结的激子玻色 – 爱因斯坦凝聚模拟，预示着量子计算与光电子器件的新突破。
跨学科融合方面，AI 与多物理场模拟的结合将实现 “计算 – 制备 – 测试” 闭环，例如机器学习辅助筛选 MXenes 异质结构催化剂，加速能源化学领域的创新。
结语：从微观模拟到宏观突破
异质结的理论计算不仅是理解界面物理的“显微镜”，更是设计下一代功能材料的 “蓝图”。随着计算方法的精度提升与算力革命的推进，从原子尺度的电荷转移到器件尺度的性能预测，计算将深度融入异质结研发的全链条。
未来，随着量子计算与AI 的赋能，异质结领域有望迎来 “理论预测 – 精准制备 – 性能跃升” 的范式变革，为能源、信息与量子科技的突破开辟新路径。