说明：本文华算科技探讨了内建电场在不同材料体系中的形成机理及其对电荷行为和能量转换过程的影响，揭示了内建电场在电子、光电子、催化和能量转换等领域的关键作用。
内建电场（Built-in Electric Field）是指由于材料体系内部的能带不连续性、电荷分布不对称性或界面态差异而在局域区域自发形成的稳恒电场。
这类电场在无外加电势的条件下仍然存在，表现为材料内部不同区域之间的电势梯度，是由体系内部结构、能带排列、掺杂分布或极化差异驱动形成的一种非平衡态静电势。
图1. Ru和Ni-RuO2的BIEF结构示意图。DOI: 10.1002/ange.202421869
其产生并非依赖于外部激励，而是源于体系本身在达到电荷热力学平衡时内部电荷重新分布所导致的静电势差。
内建电场广泛存在于诸如本征半导体、金属-半导体界面、p-n结、异质结构、极性表面以及低维材料等体系中，是多种电荷行为与能量迁移过程的核心驱动机制之一。
作为一种方向性明确、场强稳定且空间分布可控的局域场，内建电场不仅主导电荷载流子的漂移方向，还影响载流子的复合速率、分离效率及迁移行为，是现代电子、光电子、催化及能量转换等领域中不可或缺的物理量。
图2. 四种内部电场类型（按其位置分类）以及内部电场在催化中的优势。DOI: 10.1002/aenm.202203720
在理论上，内建电场体现了材料体系中能量最小化与电荷重分布之间的协同平衡，其存在揭示了材料结构与电性行为之间的深度耦合关系。
不同于由外部电源施加的宏观电场，内建电场是一种高度局域化、结构依赖性强且可调性高的物理场，其形成依赖于材料本征参数与界面物理属性的多重因素耦合。其稳定性、方向性及场强大小与界面电势差、费米能级差异、界面极化程度及掺杂浓度密切相关。
内建电场的本质源于材料体系内部电荷密度分布的空间不均匀性，该不均匀性可以来源于掺杂梯度、极性失配、能带对齐错位或空间电荷区的形成等机制。在微观尺度上，内建电场的形成过程可归因于电荷载流子在不同能态区域之间发生扩散、漂移与势垒平衡过程的结果。
从能带理论视角来看，内建电场的形成可描述为两种或多种不同能带结构区域接触后，在趋于热力学平衡过程中，由于费米能级对齐需求而引发电荷迁移，最终在界面处形成固定的电势差。
在此过程中，体系自发产生的空间电荷区（Space-Charge Region）会诱导出电势梯度，该电势梯度即为内建电场，其方向通常由高能态区域指向低能态区域，直至电荷扩散与电场驱动的漂移行为达到动态平衡。
图3. BIEF驱动电催化的示意图。DOI: 10.1002/cnl2.70029
在经典半导体理论中，内建电场与空间电荷区密切关联，其场强大小由泊松方程决定，与局域电荷密度、电介质常数及空间尺度紧密相关。泊松方程可表达为：
∇2ϕ=−ρ/ε
其中，ϕ为电势，ρ为空间电荷密度，ε为介电常数。该方程表明，在空间电荷不均匀分布区域，必然存在由电荷极化或载流子分离引起的稳恒电场。
此外，内建电场还可能通过材料内部的自发极化行为形成，特别是在具有非中心对称晶格或极性分布结构中，极化方向的不对称性将不可避免地产生内部电势差。这类极化驱动的内建电场尤其在低维材料、铁电体及氧化物异质结构中显著，其强度与材料本征极化系数及晶格应变状态密切相关。
在动力学机制层面，内建电场的主要效应包括：诱导载流子分离、调控迁移行为、改变反应路径、抑制非辐射复合等。它作为一种自发场机制，不仅在稳态条件下持续作用，也可在非平衡体系中动态调整界面电荷行为与能量流动过程。
图4. BIEF在电催化中的关键作用机制。DOI: 10.1002/cnl2.70029
因此，内建电场的核心机理体现为能带平衡、极化协同与电荷迁移行为之间的复杂相互作用，其本质是结构性不对称所诱导的电场分布与局部电势耦合态，是材料体系内部结构与载流子行为耦合的重要表现。
异质结（Heterojunction）体系因其具有能带结构与界面特性之间的强烈差异性，是研究与调控内建电场行为的理想平台。
在异质结中，由于不同材料之间的功函数差异、带隙大小差异及电子亲和能不同，导致界面处不可避免地产生费米能级差异，从而形成显著的电荷迁移与界面势垒结构。在趋于热力学平衡的过程中，该差异被转化为界面电荷重排现象，从而形成强烈的内建电场。
图5. 半导体异质结的能带结构类型及其在电催化反应中的电子转移机制。DOI: 10.1002/cnl2.70029
在异质结界面处，能带弯曲是内建电场形成的直接表征。具体而言，电子将自发从低功函数材料流向高功函数材料，空穴则发生反向迁移，最终在界面附近形成耗尽区或积累区，表现为能带的向上或向下弯曲。
这一弯曲区域即为内建电场的空间所在，其空间分布宽度与材料的掺杂浓度、电介质特性及界面质量密切相关。
此外，异质结结构中的晶格匹配程度、电荷陷阱态密度、界面极化场、应变诱导电势等多因素亦可对内建电场的大小、方向及稳定性产生显著影响。
特别是在二维材料异质结构、强耦合氧化物异质结及极化/非极化界面体系中，界面诱导极化行为将进一步增强内建电场的局域强度，并在电荷分离与能量过滤过程中发挥主导作用。
图6. NiFe-LDH和NiFe-LDH/AMNSs示意图。DOI: 10.1002/adfm.202503596
在异质结中，内建电场不仅对电子与空穴的空间分离具有决定性作用，还显著影响界面反应动力学、载流子复合行为及热电子输运机制。
通过对异质结构中内建电场的空间调控，可实现对电荷注入势垒、载流子寿命、界面反应速率及能带对齐状态的系统性优化，是构建高效功能界面与先进电子器件的基础调控策略之一。
内建电场因其自发性、方向性与可调控性，已成为功能材料与器件设计中的关键调节因子，广泛应用于电子、光电子、能量转换、催化、传感等多个技术领域。在这些体系中，内建电场所发挥的核心作用可归纳为：驱动电荷行为、调控能量流动、诱导功能响应、增强界面协同。
在电荷控制方面，内建电场可有效增强电荷分离与抑制复合行为，是实现高效载流子输运的关键。其场强与方向可通过材料结构参数设计而精确控制，从而实现对迁移率、漂移距离与输运路径的有序调节。
在能带工程中，内建电场可通过影响界面势垒结构，调节载流子注入能力与选择性迁移行为，从而提升器件的整体现效响应。
在能量调节方面，内建电场可实现对激发态电子能量的分布与转化路径的引导，有助于提高能量转化效率与抑制能量损耗。例如，其可引导热电子或光生电子向能量最低路径转移，从而提升能量利用效率。
在复合场作用体系中，内建电场与应力场、热场、电场等其他物理场形成协同效应，使得多场耦合的调控机制更加高效与可预测。
图7. 双串联电场驱动光生电荷高效分离和定向迁移。DOI: 10.1016/j.chempr.2024.08.018
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