说明：本文华算科技系统介绍了异质结的基本概念、分类体系及其在现代半导体器件中的基础地位，重点阐述了I型、II型与III型异质结的能带对齐特性、界面电荷转移机制及其对器件光电性能的调控作用。
通过结合密度泛函理论（DFT）与范德华修正等计算方法，深入探讨了异质结的电子结构、内建电场形成及载流子输运行为。文中进一步以三维钙钛矿异质结发光二极管等前沿案例，说明异质结工程在解决效率滚降、提升器件性能方面的实际成效。
读者可系统掌握异质结从能带理论到界面设计、从计算模拟到器件应用的全链条知识，为从事半导体光电器件、能源材料和界面科学研究的科研人员与工程师提供坚实的理论基础与技术参考。
什么是异质结？
异质结（Heterojunction）是由两种不同材料在原子尺度上紧密接触形成的界面结构。这种结构的核心特征在于界面处能带结构的不连续性，从而产生独特的电学和光学特性，为现代半导体器件提供了丰富的设计空间。
从能带结构角度，异质结可分为三种基本类型：I型（ straddling gap）、II型（staggered gap）和III型（broken gap），其中II型异质结又可根据载流子转移路径进一步分为O型、Z型和S型。
DOI: 10.1002/admi.202500191
异质结的独特价值源于其能带工程灵活性。通过选择不同材料组合，可以精确调控界面处的能带对齐、电荷转移方向和内建电场强度。
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，可显著降低界面复合速率、提高光吸收效率，实验室转换效率已超过26%。在光催化领域，II型异质结能够实现光生电子-空穴对的空间分离，极大提升催化效率。
DOI: 10.1021/acsnano.5c01497
异质结的计算方法
密度泛函理论（DFT）是研究异质结电子结构的核心计算方法。通过DFT计算，可以精确预测异质结的形成能、能带结构、电荷密度分布和态密度等关键参数。
对于包含范德华相互作用的二维材料异质结，必须引入范德华修正（如vdW-DF、DFT-D3）才能准确描述层间弱相互作用。
例如，在MoS₂/WS₂异质结的研究中，vdW修正的引入显著提高了层间激子束缚能的计算精度，与实验测量结果高度一致。
计算中通常采用超胞模型来模拟晶格失配与应变效应。以GaAs/AlGaAs异质结为例，通过构建合理的超胞模型，可以量化应变对能带结构和载流子迁移率的影响，为量子阱设计提供理论依据。
近年来，机器学习势函数的引入大幅提升了大尺度体系的计算效率，使得包含数千原子的异质结模型动力学模拟成为可能。
异质结的应用
中国科学技术大学姚宏斌、樊逢佳、林岳、胡伟联合上海光源郑官豪杰在纯红钙钛矿发光二极管领域取得重要突破，其研究成果于2025年5月7日发表在《Nature》期刊上。
该研究针对纯红钙钛矿发光二极管存在的关键问题：基于准二维和量子点钙钛矿材料的器件受限于低载流子迁移率，亮度难以提升；而三维混合卤化物钙钛矿CsPbI₃₋ₓBrₓ虽具有高载流子迁移率，但外量子效率在亮度升高时下降严重。
DOI:10.1038/s41586-025-08867-6
研究团队通过原位电激发瞬态吸收光谱仪测量揭示了器件中空穴泄漏到电子传输层是三维CsPbI₃₋ₓBrₓ基发光二极管效率滚降的本质原因。这一发现直指当前钙钛矿LED技术的核心瓶颈，为解决方案提供了明确方向。
研究团队提出了一种全新的三维钙钛矿异质结设计，该异质结材料内部存在窄带隙发光体和限域载流子的宽带隙能垒。这种创新设计通过构建三维CsPbI₃₋ₓBrₓ异质结发光层，有效抑制了纯红钙钛矿发光二极管的空穴泄漏问题。
这种异质结设计的巧妙之处在于实现了能带结构的精准调控，在不牺牲载流子迁移率的前提下，增强了载流子限域能力。宽带隙能垒有效阻挡了空穴向电子传输层的泄漏，从而解决了效率滚降问题，同时保持了三维钙钛矿的高迁移率优势。
DOI:10.1038/s41586-025-08867-6
研究还通过第一性原理计算模拟了异质结的能带结构和载流子传输行为，为实验观察提供了理论支持。计算结果表明，异质结界面处的内建电场能够有效引导载流子运动，防止泄漏发生，同时促进辐射复合过程。
DOI:10.1038/s41586-025-08867-6
这项研究成果不仅解决了钙钛矿LED领域的核心挑战，还为下一代显示技术奠定了基础。高性能纯红发光二极管是实现高质量全彩显示的关键，三维钙钛矿异质结设计为开发高效、明亮且稳定的钙钛矿发光二极管提供了有效途径。
总结
异质结研究正从”材料发现”阶段迈向功能导向设计阶段。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，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。
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“。随着计算技术的不断进步和实验手段的精细化，人类对异质结的控制能力将达到前所未有的水平，最终实现从微观模拟到宏观突破的跨越。
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