说明：本文华算科技详细介绍了带隙的概念、分类、与材料导电性的关系，以及如何通过量子限域、合金化、应变工程、化学掺杂、电场调控和温度效应等方法调控带隙大小。同时，文章还探讨了使用UV-Vis吸收光谱、PL光谱和UPS等技术表征带隙的方法，为读者提供了带隙调控的全面知识。
带隙，又称禁带宽度或能量隙，是指固体材料中一个不包含任何电子态的能量范围。更精确地说，它是材料价带的顶端（VBM）与导带的底端（CBM）之间的能量差值。
DOI: 10.1038/s41929-020-00522-9
根据导带底和价带顶在动量空间（k空间）中的位置关系，半导体可分为两类：
（1）直接带隙：CBM和VBM位于k空间的同一位置。电子从导带跃迁到价带时，无需改变动量，可以直接通过辐射光子的方式复合。
（2）间接带隙：CBM和VBM位于k空间的不同位置。电子跃迁时，除了能量变化，还必须伴随动量的改变，这通常需要声子（晶格振动）的辅助。
电子若要从被束缚的价带状态跃迁至可以自由移动、参与导电的导带状态，就必须获得至少等于能带隙大小的能量。这个能量差从根本上决定了材料的导电类型。
绝缘体：具有非常宽的带隙（通常>4eV），电子极难从价带跃迁至导带，因此导电性极差。
半导体：具有中等宽度的带隙（通常在0.1-4eV之间），在一定条件下（如加热、光照）电子可以获得足够能量跃迁至导带，从而导电。
导体：价带与导带重叠，没有带隙，电子可以自由移动，导电性极好。
DOI: 10.1021/acsnano.2c08411
带隙并非一成不变，它会受温度等外界因素影响。Varshni公式是描述半导体带隙随温度（T）变化的一个经典经验公式：
其中，Eg(T)是温度为T时的带隙，Eg(0)是绝对零度下的带隙，α和β是材料相关的经验参数。
DOI: 10.1038/s41570-025-00687-6
如何让带隙变大？
增宽带隙通常意味着材料会吸收波长更短（能量更高）的光，颜色上表现为蓝移。
（1）量子限域效应
当材料的尺寸被限制在纳米级别（约10nm以下）时，电子的运动在空间上受限，其连续的能带会分裂成离散的能级。这种限制导致价带顶下移，导带底上移，从而使有效带隙增大。
如何调控：减小材料的尺寸。尺寸越小，限制越强，能级分裂越大，带隙也越大。
DOI: 10.1021/acsnano.8b00498
（2）合金化
将两种或多种具有不同能带隙的半导体材料按一定比例混合形成固溶体（合金），可以得到能带隙介于两者之间的连续可调的材料。要增大能带隙，只需与具有更宽能带隙的材料形成合金。
DOI: 10.1021/ar9001069
（3）应变工程
通过对材料施加机械应力（拉伸或压缩），改变其晶格常数（原子间距和键角），进而影响原子轨道的交叠程度，最终改变能带结构和带隙大小。应变工程的优势在于其调节是连续、可逆且原位可控的。
压缩应变会使原子间距减小，增强轨道交叠，通常导致带隙增大。
（4）化学掺杂
Burstein-Moss效应：在重度n型掺杂的半导体中，导带底被电子填充，费米能级进入导带。由于泡利不相容原理，光吸收过程中的电子跃迁只能跃迁到费米能级之上的空态，导致光学吸收边蓝移，表观上的光学带隙增大。
DOI: 10.1002/smll.201402380
如何让带隙变小？
减小能带隙意味着材料可以吸收波长更长（能量更低）的光，颜色上表现为红移。
（1）合金化
将两种或多种具有不同带隙的半导体材料按照特定比例混合，形成固溶体。合金的晶格常数和带隙通常会随着组分的改变而发生近乎线性的连续变化。与具有更窄能带隙的材料形成合金，可以有效降低材料的整体带隙。
（2）应变工程
对材料施加机械应力（拉伸或压缩），会改变其晶格常数，即原子间的距离和排列方式。通常情况下，施加拉伸应变会使原子间距增大，削弱原子间相互作用，导致能带展宽减小，带隙随之减小。
DOI:10.1016/j.isci.2021.103563
（3）化学掺杂
在半导体晶格中引入少量杂质原子（施主或受主）。传统上，掺杂的主要目的是通过引入额外的电子或空穴来改变材料的导电类型并移动费米能级。
然而，在极高掺杂浓度下，掺杂也会对带隙产生显著影响。当掺杂浓度非常高时，杂质原子间的相互作用以及载流子与杂质离子间的相互作用会导致带边拖尾，使有效带隙收缩。
DOI: 10.1002/smll.201402380
（4）电场调控
施加外电场会使能带发生倾斜，导致价带顶和导带底在空间上分离。电场会将电子和空穴的波函数分别推向结构的两侧，导致它们的重叠减少，从而降低了最低激子跃迁能量，即有效带隙减小。
DOI:10.1039/D3CP04877B
（5）温度效应
对大多数半导体而言，升高温度会加剧晶格振动并导致热膨胀，这通常会使带隙减小。
如何表征能带隙？
这是测量半导体光学带隙最常用的技术之一。通过测量材料的吸收、透射或反射光谱，可以分析其对不同能量光子的吸收情况。吸收光谱的吸收边对应于电子从价带跃迁到导带所需的最小能量。
光致发光（PL）光谱
PL测量通过激光激发材料，使其产生电子–空穴对，然后检测这些载流子复合时辐射出的光子能量和强度。对于高质量的直接带隙半导体，其发光峰的位置通常非常接近其能带隙值，因此PL是评估带隙和电子过程的有力工具。
紫外光电子能谱（UPS）
UPS通过高能光子（紫外光）激发样品，打出材料内部的电子，并通过测量出射电子的动能来分析其在固体中的束缚能。UPS对价带电子态尤为敏感，可以直接测量价带顶相对于费米能级的位置。结合光学方法测得的带隙值，可以确定导带底的位置。
DOI:10.1039/D1QM00969A
【高端测试 找华算】
华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！
🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
👉立即预约，抢占发表先机！
