说明：异 质 结（H eterojunction）作为一种关键的界面结构 材料科学 是理解载流子行为的核心概念，更是设计高效功能材料的重要工具。
本文华算科技 将系统梳理异质结 是什么、为什么重要、怎么研究、怎么用好 ” 四大核心问题。
异质结 是指由两种不同半导体材料接触形成的界面结构。与同质结（由相同材料不同掺杂类型构成）不同，异质结具有不同的能带结构、电子亲和力和功函数，因此能在界面处形成内建电场（Built-in Electric Field, BIEF），调控载流子的分离与传输行为。 DOI ： 10.1002/admi.202500191 按半导体能带结构划分，根据两种半导体的导带（CB）、价带（VB）相对位置，异质结可分为三大基础类型，这是判断其核心性能的首要依据： Type I 异质结： 半导体 SI-1 的导带高于 SI-2，价带低于 SI-2，光生电子和空穴会同时转移到其中一种半导体，虽易被光激发，但整体氧化还原能力较弱。Type II 异质结： SI-1 的导带高于 SI-2，价带低于 SI-2 的导带且高于 SI-2 的价带，电子和空穴会分别转移到不同半导体，是光催化中应用最广的类型，还可进一步细分。Type III 异质结： SI-1 的价带高于 SI-2 的导带，形成 “能带交叠”，载流子转移路径复杂，目前应用场景较少。（ A ） Ⅰ 型异质结，（ B ） Ⅱ 型异质结，（ C ） Ⅲ 型异质 结。 DOI ： 10.1002/admi.202500191 其中Type II 异质结因光生载流子转移路径不同，又可分为 O-scheme、Z-scheme、S-scheme 三类，三者的氧化还原能力和载流子分离效率差异显著： O-scheme 异质结： SI-1 的导带电子转移到 SI-2 的导带，SI-2 的价带空穴转移到 SI-1 的价带，最终电子富集在低导带、空穴富集在高价带，载流子分离效率高，但 redox 能力减弱。Z-scheme 异质结： 需通过半导体间的 “中间介质” 实现载流子转移，SI-2 的导带电子先转移到自身价带，再通过中间介质转移到 SI-1 的价带，保留高导带电子和高价带空穴， redox 能力强，但需更高能量激发。S-scheme 异质结： 载流子转移方向与 Z-scheme 一致，但无需中间介质，直接通过界面内建电场实现转移，又称 “直接 Z-scheme”，兼顾强氧化还原能力和低激发能量，是当前研究热点。（ A ） O 型异质结，（ B ） Z 型异质结，（ C ） S 型异质 结。 DOI ： 10.1002/admi.202500191 研究异质结时，需通过公式量化 “能带位置”“载流子转移驱动力” 和 “活性物种生成能力”，这些公式是判断异质结类型、评估性能的核心工具。 半导体的导带底（E CB ）和价带顶（E VB ）决定了其能否生成特定活性物种，计算公式基于 “真空能级” 和 “电化学势”： 其中，X 为半导体的电子亲和能（eV），E e E g 通过 XPS 可以测量价带谱和二次电子截止边，从而计算出电离能Eg 。再结合通过其他方法测得的带隙，可以确定材料的电子亲和能，并最终推导出价带顶和导带底的绝对能量位置。 光催化反应中，・OH、・O₂⁻等活性物种的生成是反应发生的前提，其生成电势需与异质结的能带位置匹配，核心公式如下： 需异质结的价带顶电势高于 + 0.81 V，空穴才具备氧化生成・OH 的能力。 需异质结的导带底电势低于 – 0.33 V，电子才具备还原生成・O₂⁻的能力。
DOI ： 10.1002/admi.202500191 异质结之所以成为光催化领域的核心研究方向，源于其能同时解决光催化的两大核心痛点，且具备 “1+1>2” 的功能整合优势。 降低光生载流子复合率： 单一半导体受限于自身能带结构，光生电子和空穴易在体内复合，而异质结的界面能形成 “内建电场”，驱动电子和空穴向不同方向转移，显著提升分离效率。调节氧化还原能力： 通过选择不同能带位置的半导体，异质结可灵活调整整体导带和价带位置。异质结在保留各组分优势的同时，还能产生新功能：优化电子结构、促进底物富集、调节微环境。 CoSx/ZnS S–scheme用于氮气光催化固定。DOI ： 10.1002/admi.202500191 准确判断异质结类型、追踪载流子转移路径，是研究其性能的关键。 在 《Classification and Characterization Methods for Heterojunctions》中，作者详细介绍了实验表征手段用于识别异质结类型。下面我们将结合 Advanced Materials Interfaces 期刊的这项工作进行说明，异质结的 7 种主流分析技术 ，覆盖 “表面观测”“动态追踪”“理论验证” 三大维度。 通过 “电子 / 空穴选择性沉积金属或金属氧化物”，直接观测载流子富集位置，是最直观的定性方法，因为Au、Ag 等金属易在电子富集区沉积，MnOₓ等易在空穴富集区沉积。 直接证据： 论文中富碘BiOI 异质结（Bi:I=1:5）的光沉积实验显示，Au 集中在纳米片侧面（电子区），MnOₓ集中在正面（空穴区），证明空穴主要转移到表面。金属离子光沉积法识别BiOI中电子/空穴富集区。DOI：10.1002/admi.2025001912. 实时监测光照下元素结合能变化，判断电子得失，是确定载流子转移方向的重要方式：元素结合能向高值偏移→失去电子，向低值偏移→获得电子。 直接证据： Zn-CeO₂/g-C₃N₄异质结在黑暗中，C 1s 结合能低（g-C₃N₄得电子），光照后 C 1s 结合能高（g-C₃N₄失电子），证明电子在黑暗和光照下反向转移，符合 S-scheme 特征。原位XPS分析Zn–CeO₂/g–C₃N₄异质结。DOI：10.1002/admi.202500191 表面光电压谱（SPV）： 通过测量光激发产生的表面电压，分析载流子分离效率。如 CdS/CP-2 异质结的 SPV 信号显示，其电子填充寿命比纯 CdS 长，证明载流子分离更高效。瞬态吸收光谱（TAS）： 通过 “泵浦光激发 + 探测光追踪”，捕捉载流子的时间分布。如 BiOBr/NiFe-LDH 异质结的 fs-TAS（飞秒瞬态吸收）显示，0.5-1 ps 内电子从 BiOBr 转移到 NiFe-LDH，验证了 Z-scheme 结构。通过电子激发产生的荧光波长，推断载流子复合路径。如 ZnO/ZnS 异质结的 CL 光谱在 390 nm（ZnO 载流子直接复合）和 520 nm（ZnS 空穴与 ZnO 电子间接复合）出现信号，证明 S-scheme 转移。 阴极荧光光谱（CL）分析ZnO/ZnS异质结。DOI：10.1002/admi.202500191 通过检测・OH、・O₂⁻等活性物种，反推载流子富集位置（需结合能带计算）。 通过自由基生成判断异质结类型。DOI：10.1002/admi.202500191 模拟电子 / 空穴的空间分布，为实验结果提供理论支撑，但需结合实验验证（因实际晶体结构与理想模型存在偏差）。 DFT计算SiH/GaSe与SiH/InSe能带结构。DOI：10.1002/admi.202500191 在纳米尺度观测表面电势变化，分析内建电场强度。如 SnS₂/COF 异质结的 KPFM 显示，光照后表面电势差达 23 mV，证明内建电场显著促进载流子转移。 KPFM分析SnS₂/COF异质结表面电势变化。DOI：10.1002/admi.202500191 不同类型的异质结在氧化还原能力、载流子分离效率上各有优劣，“用好异质结” 的核心是 “场景与结构匹配”。论文通过多个案例，总结了三大主流异质结的应用逻辑。 1.O-scheme 异质结：优先用于 “需精准调控反应路径” 场景 O-scheme 异质结的优势是 “载流子分离效率高、氧化还原能力适中”，适合需避免 “过度反应” 的场景，如甲烷选择性氧化： 直接证据： TiO₂/AgBr O-scheme 异质结用于甲烷氧化制乙烷，其适中的氧化还原能力既能激活甲烷 C-H 键，又能抑制甲烷过度氧化为 CO₂，乙烷选择性比纯 TiO₂提升 40% 以上。TiO₂/AgBr O–scheme异质结用于甲烷氧化。DOI：10.1002/admi.202500191 2.Z-scheme/S-scheme 异质结：聚焦 “强氧化还原需求” 场景 二者均保留强还原导带和强氧化价带，S-scheme 因无需中间介质更易制备，是当前主流，核心应用包括： 污染物降解： 如 AgBr/Ti₃C₂Tₓ/BiOBr Z-scheme 异质结，能同时生成・OH 和・O₂⁻，对四溴双酚 A（TBBPA）的降解率达 98%，比单一 BiOBr 提升 60%。AgBr/Ti₃C₂Tx/BiOBr Z–scheme用于污染物降解。DOI：10.1002/admi.202500191 CO₂还原： ZnIn₂S₄/g-C₃N₄ S-scheme 异质结通过 C-S 键和铟空位，促进 CO₂吸附和・COOH * 中间体生成，CO 产率达 2097.3 μmol・g⁻¹・h⁻¹，是纯 g-C₃N₄的 41 倍。ZnIn₂S₄/g–C₃N₄ S–scheme用于CO₂还原。DOI：10.1002/admi.202500191 光催化制氢： TiO₂-NC/Cu₂O S-scheme 异质结（NC 为氮掺杂碳层），既解决了 Cu₂O 的光腐蚀问题，又通过内建电场降低载流子复合率，产氢效率比纯 Cu₂O 提升 8 倍。TiO₂/Cu₂O S–scheme用于光催化水分解。DOI：10.1002/admi.202500191 生物医药： FeOCl/FeOOH S-scheme 异质结在超声照射下生成・OH，通过 “自供 H₂O₂” 实现类Fenton反应，肿瘤抑制率达 90% 以上，且生物毒性低。FeOCl/FeOOH S–scheme用于癌症治疗。DOI：10.1002/admi.202500191 异质结的价值不仅在于 “优化性能”，更在于为光催化反应提供了 “可设计的界面结构”。随着表征技术的发展与理论模拟的深入，异质结的设计将从“经验驱动”走向“机制驱动”。未来，围绕界面调控、动态机制、尺度效应的研究将成为主流，推动光催化、能源转化、环境修复等领域迈向新高度。 【高端测试 找华算】 华算科技 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！
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
