说明：本篇华算科技系统阐述了内建电场（BIEF）的形成原理及作用，详细介绍了通过异质结、空位、掺杂和非晶化四大策略构建BIEF的方法。阅读本文，您将掌握如何通过设计材料内部电场来高效分离光生载流子、优化反应界面微环境。
什么是内建电场
内建电场（built-in electric field， BIEF）是指材料内部因电荷分布不均匀而自发形成的电场。其原理可概括为：BIEF的存在会在材料中形成势垒，引起电子能带结构的偏移，从而改变电子的传输行为。
具体表现为加速载流子（电子和空穴）的定向分离，导致材料内部出现富电子区和缺电子区，形成电荷分布梯度。在异质结构界面处，由于不同组分功函数差异引发的电子定向流动会形成BIEF，该电场可在界面处建立势垒，促进电子跨界面转移。
因此，BIEF还能通过调控电子能级结构、优化活性位点电荷密度以及改变多相界面的局部微环境，显著增强催化剂的本征活性。
图1. （A） 晶胞的有序排列产生内建电场（IEF）。（B） 晶胞内部不同晶面之间产生的内建电场。（C） 外部环境诱导光催化剂产生内建电场。DOI: 10.1039/c3nr03998f
内建电场的构建策略
异质界面工程，引入空位（氧空位等）和杂原子掺杂是诱导电荷再分布从而在电催化剂内部形成内建电场的有效策略。此外，湿化学路线，沉积，机械剥离和电化学合成等策略被广泛用于构建异质结型内建电场。
图2. 用于能源电催化BIEF的构建策略。DOI: 10.26939/d.cnki.gbhgu.2024.000114.
空位
在引入氧空位之后，导致电荷分布不平衡，在氧空位周围形成相应的负电荷区，产生了由氧空位中心指向氧空位周围的局部电场。
图3. （a）氧空位产生的内置电场提高电化学性能的机理示意图，（b）Mn-Mn
1和Mn-Mn2的 DOS图，（c）MnO2和MnO2-TEA的温度依赖性电阻比较。DOI:10.1002/aenm.202101412
构建无定形区
在纳米晶体电极材料中，通过在晶体表面构建具有氧空位的非晶结构层，可在晶核与非晶壳之间形成BIEF。该无定形区域的引入有助于降低锂离子扩散电阻，并加速其在嵌脱过程中的传输。BIEF的强度受非晶层中氧空位含量的影响，同时锂离子的传输行为也取决于非晶层与结晶核心的相对厚度。
图4. 比较由（a）块状晶体，（b）纳米晶体，（c）表面非晶纳米晶体组成的电极材料中的电荷扩散，并说明放电（d）和充电（e）过程中内建电场下电荷传输的促进性。DOI: 10.1021/nl402810d
杂原子掺杂
体相杂原子掺杂是一种有效的构筑内建电场的策略。通过引入不同的杂原子使周围的电子密度重新进行分布，增强电子云密度的不对称性，在内部结构中形成偶极矩，这些局部化的变化促进了内部电场的形成，进而影响了光生载流子的动力学。
图5.（a）Ag/Sn催化剂中电场强度和方向的箭头图，（b）沿（a）中黄线部分的电场强度分布图，沿Ag/Sn线的（c）电场强度分布图和（d）原子电荷密度强度分布图。DOI: 10.1002/ange.202212640
构建异质结
异质结是由两种不同半导体材料构成的界面结构。根据组成材料的导电类型，可分为同型异质结（如p-p或n-n型结合）和异型异质结（如p-n型结合）。由于两组分间功函数存在差异，界面处会发生电荷重新分布和电子转移，从而形成内建电场，并引起能带偏移。这种结构通常通过外延生长或合金化等方法制备。
图6.通过构建异质结形成的CuCl-BEF电催化剂的内置电场示意图，（a）在 MXene表面原位形成的CuCl-BEF示意图， （b）CuCl-BEF的电荷差密度。DOI: 10.1002/ange.202109785
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