说明：本文华算科技系统性地介绍了异质结的定义、机理、表征方法以及应用，读者可深入了解什么是异质结，异质结的分类与应用等问题。
异质结是指两种或多种化学组成、晶体结构或能带结构不同的半导体材料通过外延生长、沉积等方式紧密接触，形成的具有明确界面的结构。
异质结的关键特征是界面两侧材料的物理/化学性质存在本质差异，且界面处无明显扩散或混合，能保持各自的本征特性。
DOI: 10.1002/smtd.202300450
异质结的功能源于界面处由材料本征电学性质差异引发的能带弯曲与载流子调控，其核心机理围绕能带排列模式构建与内建电场驱动的电荷定向转移过程展开。按照能带排列方式与电荷转移路径可分为以下两类：
能带排列
Type I：窄带材料的导带底（CBM）、价带顶（VBM）完全嵌套在宽带材料能带中，载流子聚集于窄带材料界面，复合概率高，更适用于发光器件。
Type II：两种材料能带部分交叠，电子迁移至低CBM材料，空穴迁移至高VBM 材料，实现载流子空间分离，是p-n、S型、Z型异质结的核心结构基础。
Type III：能带无交叠，载流子通过隧道效应跨越界面，常常应用于高速电子器件。
DOI: 10.1002/adma.201601694
功能特性
p-n型异质结：一侧为p型半导体，另一侧为n型半导体。接触后费米能级平衡形成内建电场，驱动电子从n型到p型、空穴从p型往n型迁移。这种异质结的载流子分离效率高，能带排列多为Type II，是光伏电池、半导体器件的基础结构。
DOI: s41928-021-00640-7
p-p型异质结：两侧均为p型半导体，但功函数、禁带宽度不同。费米能级差异导致空穴从高功函数材料向低功函数材料迁移，形成空穴富集区。一般应用在气体传感器、光催化等场景，能带排列可为Type I或II。
DOI: 10.1016/j.matlet.2020.127728
n-n型异质结：两侧均为n型半导体，因电子亲和能或功函数差异，电子从低电子亲和能材料向高电子亲和能材料迁移，形成电子富集层。该结构多用于电子器件、光催化，能带排列多为Type II。
DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.158784
S型异质结：其本质是优化的Type II能带排列，两个材料间的电荷转移呈现出“阶梯状”。光照产生的电子和空穴分别迁移至两种材料表面，既实现了空间分离，又保留了各自的强氧化还原能力，这一构型是光催化应用的核心类型。
DOI: 10.1002/adma.202511322
Z型异质结：模拟自然光合作用电子传递链，由两种半导体与电子媒介（或直接界面耦合）形成Z型路径。光生电子和空穴在不同材料上分别积累，既抑制复合，又保留高氧化还原电势，能带排列多为两种 Type II 的组合，广泛应用于光催化制氢、CO2还原。
DOI: 10.1002/adfm.202004293
实验表征
异质结的实验表征通常需要先对接触前的单个材料进行能带结构的表征，在得到单个材料的具体结构之后，再对异质结的结构完整性、界面特性、功能有效性等多方面内容进行验证，常用方法如下：
结构表征：透射电子显微镜（TEM/HRTEM）观察界面原子排列、厚度及晶格匹配度；X 射线衍射（XRD）可分析晶体取向和界面应变；X 射线光电子能谱（XPS）检测界面元素组成、化学态及电荷转移方向。
DOI: 10.1016/j.chempr.2020.06.010
电学表征：电流–电压（I-V）测试分析导电性、整流特性；霍尔效应测试测定载流子类型、浓度及迁移率；电容–电压（C-V）测试表征空间电荷区宽度和内建电场强度；电化学阻抗谱（EIS）可表征材料的电阻，侧面说明载流子的传输能力；光电流响应可测试材料的瞬时载流子产生数量，说明材料的载流子产生与分离能力。
DOI: /10.1016/j.snb.2022.132725
光学表征：紫外–可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）可精准分析材料的光吸收范围与吸光强度，对数据进行一定的转换后还能推导禁带宽度；光致发光光谱（PL）通过荧光强度、峰位及半高宽检测载流子复合效率，荧光猝灭程度越强通常表明电荷分离效果越优异；瞬态光电流测试则通过电流衰减特性表征载流子寿命，其衰减速率可直接反映载流子在界面的传输效率与捕获情况。
DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c04175
通过计算两种材料的禁带宽度（Eg）、导带底、价带顶位置，可以确定组成的异质结的能带排列类型。并且，结合电荷密度差分与Bader电荷转移，还可以对异质结的电荷转移进行定性与定量的分析，帮助判断异质结类型。
DOI：10.1039/d4na00670d
光催化：Type II 异质结能够促进光生电子–空穴分离，从而提升水分解制氢、污染物降解效率。
如图，通过Z型异质结的构建，材料的整体氧化还原电位能过囊括O2/*O2–和OH–/*OH，生成的活性物种能够参与水体净化，完成单一材料完成不了的任务。
DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.138496
光伏电池：异质结界面的内建电场能够有效驱动光生电子–空穴的分离，减少非辐射复合损耗。同时，不同材料一般具有不同的光吸收波段，异质结的构建能够让材料整体能够更加高效地吸收太阳能。
DOI: 10.1002/pssb.202500229
电子器件：异质结晶体管（HBT）通过宽带半导体与窄带半导体的能带工程限制载流子扩散，实现高频、低功耗开关，被广泛应用于射频通信、雷达等高频电路。而量子阱激光器基于Type I异质结的量子限制效应，将载流子局限于窄带材料形成的量子阱中，这大幅提升了辐射复合效率，实现了高亮度、窄线宽激光发射，被用于光通信、激光显示等场景。
DOI: 10.1002/aelm.201800745
传感器：基于异质结设计的传感器不仅能通过界面电荷转移强化气体分子与材料表面的相互作用，显著提升吸附灵敏度，还能借助金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应优化电子传输效率，增强对NO2、H2S等有毒有害气体的选择性识别。并且，其快速的电荷分离与转移特性还能缩短器件响应和恢复时间。
DOI: 10.1021/acsanm.3c02327
简而言之，异质结是两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按能带结构可分为type I、type II以及type III三种类型，按功能则可分为p-p、p-n、n-n、S型以及Z型等多种类型。异质结的构建在光催化、光伏、传感器等众多领域都有应用，是一种能够大幅提升材料性能的材料构成方法。
