如何验证是否形成异质结？从定义到表征多维度方法（形貌/结构/化学键/光电性能）解析

说明：本文华算科技介绍了异质结的定义和表征方法。异质结由具有不同能带结构的半导体材料构成，界面需紧密接触且能带重构，形成内建电场，提升性能。表征方法包括SEM、HRTEM、STEM+元素mapping、XRD、XPS、UV-Vis DRS、PL和电化学测试，从形貌、晶体结构、化学键合、光吸收和电荷传输等多方面验证异质结的形成和性能。

构成异质结的材料需为半导体，包括单质半导体如Si、Ge，化合物半导体如TiO₂、ZnS、g-C₃N₄等；且两种材料的能带结构：禁带宽度、导带/价带位置存在差异，这是实现电荷分离的基础。

DOI：10.1038/s41467-025-64387-x。

两种材料的界面需为原子级紧密接触，无明显间隙、孔洞或杂质层，且晶格常数需匹配或通过微小晶格畸变实现匹配，否则会形成大量界面缺陷，阻碍电荷传输。

界面电荷转移：因两种半导体的费米能级不同，接触后会发生电子定向转移，直至费米能级达到平衡，最终导致界面处能带弯曲——低电负性组分的电子转移到高电负性组分，前者表面带正电，后者表面带负电，形成内建电场。

能带结构重构：界面内建电场会改变两种材料的能带排列方式，常见的有Ⅰ型嵌套型、Ⅱ型交错型、Ⅲ型断裂型，三种类型，其中Ⅱ型异质结因导带和价带的交错排列，能有效分离光生电子-空穴对，是光催化、光电转换领域的研究重点。

性能协同效应：异质结的性能并非两种组分的简单加和，而是通过界面电荷转移实现1+1＞2的协同提升，例如光催化异质结的电荷分离效率、可见光吸收范围会显著优于单一组分。

DOI：10.1038/s44160-025-00880-x。

扫描电镜（SEM）的核心作用在于观察样品表面形貌与组分分布。通过二次电子像或背散射电子像，可以快速初步判断材料是异质结还是物理混合：在异质结样品中，两种组分的颗粒通常紧密贴合、相互附着，无明显独立分散现象；而物理混合样品中，颗粒之间往往分离，界面界限相对模糊。

对于绝缘材料，通常需进行喷金处理以防止电荷积累。结合不同放大倍数和背散射电子像（原子序数较高的区域亮度更强），可以清晰区分不同组分的分布情况。

但SEM的分辨率仅达到纳米级别，无法观测原子尺度的界面细节，因此一般仅作为初步筛选依据，不能单独作为结论。

DOI：10.1038/ncomms3761。

透射电镜（TEM）可用于观察材料内部形貌，其中高分辨TEM（HRTEM）能够直接呈现原子排列规律，是验证异质结形成的关键直接证据。

HRTEM可以同时确认界面结合状态与晶体结构匹配性：在异质结界面处，通常存在明确的“晶界过渡区”，两种晶格条纹连续衔接，无明显断裂或错位；通过测量晶格条纹间距，可确认其分别对应两种原始材料的晶格参数，即在异质结中可同时观测到两种间距的晶格条纹；

此外，TEM图像中两种组分应紧密包裹或交错生长，界面无空隙、无独立分散的颗粒，从而排除物理混合的可能。

DOI：10.1038/s41467-025-65483-8。

样品拍摄选择清晰界面区域多视野拍摄，晶格间距测量取3-5个位置平均值。若仅观察到单一晶格或两种晶格条纹无衔接，则材料可能未形成异质结；若存在晶格畸变，应结合晶体匹配度分析，其通常源于界面应力而非晶体缺陷。理想异质结的界面应呈现连续过渡的晶格条纹，两种组分紧密衔接，无明显空隙。

利用扫描透射电子显微镜结合元素面扫描，可同步获得形貌与元素分布信息。关键判据在于两种特征元素整体分布均匀，且在界面处连续过渡，无显著富集或缺失。该结果直观证实组分之间相互渗透，而非简单物理混合。

DOI：10.1038/s41467-021-27118-6。

XRD 用于验证物相纯度与晶格相互作用。粉末样品需研磨至粒径 ≤10 μm 并压片，扫描范围应覆盖主要特征峰，扫描速度建议设为 2°/min 以提高分辨率。

若谱图中仅出现两种原始材料的特征峰且无杂相，则表明无非预期副反应；若特征峰发生轻微偏移（通常 ≤0.5°），可能源于界面晶格相互作用导致的参数微调，是异质结形成的关键间接证据，分析时需扣除仪器误差并与标准 PDF 卡片对照。

部分峰强度降低可结合 Scherrer 公式计算晶粒尺寸，异质结中常伴随晶粒细化。需注意，晶格参数差异极小时偏移可能不明显，且物理混合也可能引起强度变化，因此应结合其他表征综合判断。

DOI：10.1038/s41598-025-86975-z。

XPS 用于分析表面元素组成、化学价态及键合方式，可直接探测界面相互作用。测试前需进行真空脱气以去除污染物，一般先采集全谱，再对特征元素进行高分辨扫描。数据处理时采用Shirley背景扣除法分峰拟合，通常以 C 1s 峰（284.8 eV）进行荷电校正。

若特征元素结合能发生 0.2–2 eV 的偏移，表明界面存在电子转移，一般从电负性较低的元素向较高的元素转移，导致前者结合能升高、后者降低；部分异质结中可能出现新化学键对应的特征峰。各元素的主要存在形式应与原始材料一致，无新的杂质价态峰。

需注意，表面污染可能引入假峰；若结合能偏移 > 2 eV，则应优先考虑元素价态变化，而非单纯的界面电子转移。

DOI：10.1038/ncomms8666。

该方法通过材料的光吸收特性反映界面能带耦合情况。若吸收边发生红移并向可见光区延伸，或出现新的吸收峰，通常源于界面能带耦合降低了电子跃迁能垒。通过计算禁带宽度，并结合XPS确定的价带位置推导导带位置，可判断其符合Type I、Type II或Z-scheme中的哪一种能带匹配关系。

吸收边红移或蓝移且吸收强度高于物理混合物、出现界面态相关的新吸收峰，以及禁带宽度偏离纯组分的加和值，均可作为能带重构的证据。

DOI：10.1038/s41598-019-46277-7。

PL光谱反映电子–空穴复合效率，异质结会加速界面电荷转移。复合材料PL特征峰强度显著降低，≥30%更具说服力，说明电荷有效分离；峰轻微偏移归因于界面能带弯曲。

激发波长匹配材料最大吸收波长，保持样品用量、测试距离一致，可结合时间分辨荧光光谱TRPL辅助，异质结样品荧光寿命通常更长。部分材料本身PL强度低，杂质缺陷也会导致强度降低，需结合XRD、XPS排除干扰。

DOI：10.1038/ncomms8666。

通过电荷传输特性验证界面作用，常用电化学阻抗谱EIS与线性扫描伏安法LSV。

EIS：Nyquist图半圆直径对应电荷转移阻力，直径越小传输效率越高。复合材料半圆直径显著小于单一材料，说明界面电荷转移阻力降低。

LSV：光电流反映光生载流子分离传输效率。光照下复合材料光电流密度显著高于单一材料，说明电荷分离顺畅。

DOI：10.1038/s41699-022-00295-8。