说明：本文华算科技系统介绍了异质结的基本概念、分类方式、能带匹配机制及其关键作用，读者可深入理解异质结如何通过界面工程优化电荷分离与反应路径，从而提升效率与选择性。
什么是异质结？
异质结通常指由两种或两种以上具有不同能带结构、电负性、晶体结构或费米能级的材料，通过物理或化学方式构筑而成的界面接触结构。
其核心特征在于材料间本征电子结构的差异性，使得在界面区域形成能带弯曲、电荷重新分布与局域势垒结构，从而诱导出新的电学、光学或化学反应特性。
在微观尺度上，异质结的形成导致载流子在界面附近经历势垒抬升或下降，表现为电子或空穴从一侧向另一侧的迁移与积累，进而建立稳定的内建电场或界面偶极。
这种非平衡载流子分布构成了异质结在光催化、电催化以及半导体器件中的关键机理基础。异质结的作用不仅局限于电子迁移路径调控，更深层地体现在能级调节与界面态构建所带来的反应选择性与效率优化。
图1. 异质结产生内建电场与界面偶极的示意。DOI: 10.1038/s41467-024-53951-6
分类
根据材料组成、能带排列方式以及相互作用机制，异质结可被划分为多种类型。在实际研究中，合理分类有助于理解其结构–性能关联。以下从材料维度与能带维度进行双重划分。
材料构成维度
半导体/半导体异质结（如传统PN结）：由两种不同带隙的半导体构成，界面可形成能带弯曲，广泛用于光生载流子的分离与迁移调控；
半导体/金属异质结：形成肖特基势垒或欧姆接触，调控电子注入或提取行为，是光电与电催化器件的核心界面结构；
金属/金属异质结：两种金属的功函数差异可引起电荷重分布，常用于调节催化中心的电子结构与反应中间态稳定性；
半导体/绝缘体异质结：界面具有高势垒，用于构建电荷隔离层，是MOSFET等器件设计中不可缺少的基本单元；
晶体/非晶或有序/无序异质结：结构有序性差异导致电子局域态增强，可用于调控界面态密度及局域载流子动力学过程。
图2. 不同材料维度下的异质结类型示意：a）供体/受体（D-A）异质结；b） p-n同质结；c）p-n异质结；d）3D/2D维度异质结；e）相位异质结。DOI: 10.1038/s41560-022-01154-y
能带排列维度（基于Anderson模型）
I型异质结：能带完全嵌套，一侧导带与价带均低于另一侧，有利于电子与空穴复合，适用于发光类器件；
II型异质结：导带和价带错位排列，有效实现电子与空穴空间分离，适合应用于光催化和光电转换体系；
III型异质结：导带与价带直接交叠，产生异于常规的载流子动态过程，常伴随界面态密集，具有特殊导电特性。
此外，在非平衡态下还可引申出“Z型异质结”与“阶梯式异质结”等复合结构模型，以描述复杂载流子迁移路径。
类型判别常依赖于紫外–可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）所获得的带边信息。构建异质结前的能带边位置测定是建立有效电子结构模型的前提。
图3. MoSe2/WS2复合中Type-I与Type-II的能带相对关系与激子复合/分离路径。DOI: 10.1038/s41467-024-48321-1
异质结如何调控性能？
能带匹配与界面电荷重构机制
异质结的物理实质体现在界面能带匹配与载流子动力学过程。当两种不同半导体材料发生接触，其本征费米能级（Fermi level）并不相等，系统为达到热力学平衡，将发生电子从费米能级较高一侧向较低一侧的转移。这一过程伴随着：
界面电荷积累：一侧形成电子耗尽区，另一侧形成电子富集区；
能带弯曲：导带与价带产生空间依赖的倾斜，形成内建电场；
肖特基势垒形成（若为半导体/金属）：决定电子注入效率；
界面偶极结构重构：导致表面功函数变化与局域势能调节。
这种能带调控使得异质结可作为电子选择性迁移通道或界面势垒屏障调节结构。在光生电子–空穴对的分离过程中，异质结的作用是延迟复合过程并实现空间分离，从而显著提升载流子寿命与利用率。
载流子迁移的主导方向由能带边位置与内建电场方向共同决定，同时也受到界面态密度（interface state density）和界面缺陷的影响。因此，界面工程成为提升异质结性能的关键环节。
图4. 界面电荷重构与能带弯曲的外场调控：铁电极化翻转诱导GeSe/MoS2异质结能带由Type-II向Type-I可逆演化。DOI: 10.1038/s41467-021-24296-1
界面态特性与量子调控机制
异质结界面不仅涉及经典的能带排列与载流子传输，还引入了复杂的界面态，包括：
吸附态与缺陷态：晶格不匹配引起的缺陷和表面吸附可形成界面陷阱态，干扰载流子迁移路径，增强复合行为，降低电子利用率。
浅能级态（金属导轨效应）：金属与半导体接触时，电子注入形成浅能级态，促进载流子转移，提高界面电子导通性与反应活性。
应力诱导电子重排：晶格畸变与应力积累导致电子态重构，改变局域电势，影响界面能带结构和载流子动力学行为。
等离激元共振态耦合态：在纳米结构中，LSPR与界面态耦合形成局域增强场，提升光生载流子激发率与界面反应效率。
上述界面态在载流子传输中可扮演陷阱、重组中心或跳跃通道角色，对整个系统的电荷动力学产生深刻影响。
图5. 等离激元纳米结构与半导体接触时的能量转移与界面势垒示意。DOI: 10.1038/lsa.2016.17
此外，在二维材料、量子点等低维异质结中，传统连续能带模型难以描述电子行为。此时需引入量子调控机制，如：
隧穿效应：载流子可穿越薄势垒实现界面迁移，突破经典能垒限制，提升低维异质结构的电子转移效率。
局域态耦合：界面轨道重叠产生杂化态，重塑能级结构，优化电子分布，有助于提升界面反应的选择性与活性。
量子限域：尺寸缩小引发能级离散和带隙增宽，增强对光谱响应的调控能力，是提升催化选择性的关键路径。
自旋极化转移：在具自旋轨道耦合的异质结构中，电子迁移伴随自旋信息传输，有望发展自旋调控的催化体系。
图6. 基于石墨烯/hBN/石墨烯垂直异质结的量子隧穿晶体管研究。DOI: 10.1038/ncomms2817
这些机制使得异质结在调控电荷极化、响应光场强度及耦合外场等方面具备高度灵活性，进而为设计高性能催化剂提供新维度。
在催化中的电子调控功能机制
在催化反应体系中，异质结的构筑本质上是界面电子态工程的一种实现方式，其功能性体现在以下几方面：
载流子有效分离与定向迁移：异质结中形成的内建电场可增强光生或外加电场下的载流子分离效率，减少界面复合概率，提高电催化或光催化反应活性。
界面反应势垒调节：异质结诱导的能级弯曲可有效降低电子注入或空穴提取的势垒，改善反应路径中的过渡态稳定性与活化能。
调控催化位点电子密度：通过异质界面引导电荷富集/耗尽，可在特定位点形成电荷积累区，优化反应物吸附与产物解吸过程。
增强协同效应与界面协同机制：多组分异质结在界面处形成新型反应活性中心，或通过电子通道耦合增强催化协同性。
稳定性与抗中毒性能提升：异质结构筑可通过载流子传输路径优化、界面能量分布重构，有效抑制副反应或催化剂表面钝化过程。
图7. 异质结在催化中的电子调控机理。DOI: 10.1038/s41467-024-53951-6
因此，从催化工程视角出发，异质结不仅是结构优化路径，更是机制深化与功能定向调控的关键切入点。异质结所诱导的界面电荷重构、能带再分布与反应势能面调控，构成催化材料设计中的核心理论基底。
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