说明：本文华算科技介绍了掺杂的定义、核心特征及与混合、包覆等概念的边界，重点讲解了成分分布表征和结构表征技术，如电感耦合等离子体发射光谱、X射线光电子能谱、能量色散X射线光谱、二次离子质谱、X射线衍射、透射电子显微镜、拉曼光谱、X射线吸收精细结构、傅里叶变换红外光谱等，用于验证掺杂原子的存在性、均匀性和晶格融入性。
什么是掺杂？
掺杂（Doping）是指在制备或处理过程中，有意向基质材料（Host Material）中引入少量异质原子、离子或基团，使其均匀融入基质的晶格结构、缺陷位或分子链中，从而改变基质材料电子结构、晶体结构、化学环境或宏观理化性质的改性技术。
图1：异质原子以间隙位形式进入宿主晶格示意图。DOI：10.1038/s41467-024-48268-3
掺杂的核心在于“原子级融入” 与 “目的性调控”，需与以下类似概念严格区分，避免认知偏差：
与“混合（Mixing）” 的区别：混合是宏观或微观尺度的物理混合，异质组分未进入基质的晶格 / 分子结构，仅为两相或多相共存；而掺杂是异质原子与基质形成统一的结构体系（单相或固溶体），属于化学或物理化学层面的结合。
图2：多相复合体系的显微结构表征显示不同组分以颗粒/相的形式共存并通过界面接触作用。DOI：10.1038/s41563-023-01792-x
与“包覆（Coating）” 的区别：包覆是异质材料在基质表面形成薄膜或壳层，属于表面改性；掺杂是异质原子向基质内部渗透并融入，属于体相改性（部分表面掺杂除外，但仍需原子级结合）。
图3：同一体系中对比体相掺杂与表面包覆。DOI：10.1038/s41467-021-24893-0
与“缺陷工程” 的区别：缺陷工程通过调控空位、位错等本征缺陷改性；掺杂可通过引入异质原子主动创造或补偿缺陷，是缺陷工程的重要分支，但核心在于 “异质原子的引入”。
缺陷工程通过热处理/粒子轰击等手段调控材料本征点缺陷（如空位）以改变局域态与性质；与掺杂不同，缺陷工程不以异质原子引入为必要条件，但掺杂可能通过电荷补偿进一步诱导或调控缺陷
图4：单层二硫化钼中吸附物和工程点缺陷诱导的光发射。DOI：10.1038/s41467-021-24102-y
此外，掺杂还具有两个关键特征：一是“少量性”，掺杂剂含量通常为 0.1%~10%（原子分数或质量分数），过量易形成独立相或破坏基质结构；二是 “有意性”，区别于材料制备中不可避免的 “杂质污染”，掺杂是基于性能设计的主动调控行为。
如何表征掺杂？
（1）电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES/ICP-MS）
核心作用：定量检测掺杂原子含量，验证“存在性”。
判断逻辑：测试结果显示掺杂原子含量与设计值偏差在±10% 以内，说明掺杂剂未大量流失，已成功引入材料中；若含量极低（接近检测限）或未检测到，说明掺杂失败。
优势：检测限低（ICP-MS 可达 ppb 级），定量准确，适用于金属、非金属掺杂剂的含量分析；
局限性：无法反映掺杂原子的分布与化学状态。
图5：ICP 定量确认掺杂含量。DOI：10.1038/ncomms9668
（2）X 射线光电子能谱（XPS）
核心作用：定性分析掺杂原子的化学价态与化学环境，辅助验证“存在性” 与 “融入性”。
判断逻辑：① 出现掺杂原子的特征光电子峰（如 N 1s、P 2p），证明掺杂原子存在；② 特征峰的结合能与纯掺杂剂（如单质 N₂、磷粉）存在差异，说明掺杂原子与基质发生了电荷转移或成键，而非物理吸附。
图6：展示掺杂元素核心能级峰及分峰（不同化学环境/成键类型），通过结合能位移与峰型分解证明掺杂原子参与成键并改变局部电子环境。DOI：10.1038/s41467-023-40118-y
（3）能量色散 X 射线光谱（EDS/WDS）
核心作用：元素分布可视化与定性半定量分析，验证“均匀性” 与 “存在性”。
判断逻辑：① 扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）配套的 EDS Mapping 图像中，掺杂原子的信号呈均匀分布（无明显亮斑聚集），证明宏观 / 微观尺度的均匀性；② 元素能谱图中出现掺杂原子的特征谱线，辅助确认元素存在，半定量结果与 ICP 测试值趋势一致。
优势：可直观呈现元素空间分布，操作便捷，适合快速筛选；WDS定量准确性优于 EDS，适用于高原子序数元素分析；局限性：EDS 检测限较高，轻元素难以检测；半定量结果受基体效应影响，需结合 ICP 校准。
图7：用 EDS mapping 把掺杂元素信号叠加到形貌/结构图上，若信号均匀铺开、无亮斑聚集，即支持“均匀掺杂、无明显第二相富集。DOI：10.1038/s41467-025-60571-1
（4）二次离子质谱（SIMS）
核心作用：深度分布与痕量元素分析，验证“体相融入” 与 “渗透深度”。
判断逻辑：① 深度剖析曲线显示，掺杂原子信号从材料表面到体相呈连续分布（无突变或骤降），证明掺杂原子已渗透至基质内部，而非仅吸附于表面；② 信号强度与掺杂量呈正相关，痕量掺杂（ppb 级）可被有效检测，适用于低掺杂量体系。
优势：检测限极低（ppb~ppt 级），可分析元素深度分布与同位素组成；局限性：破坏性测试（需溅射剥离材料），定量需依赖标准样品校准，测试成本较高。
图8：用 SIMS 溅射–检测得到“掺杂元素信号–深度”曲线；信号贯穿且无突降，支持掺杂进入体相而非仅表面吸附/壳层。DOI：10.1038/s41467-018-06352-5
（1）X 射线衍射（XRD）
核心作用：晶体结构与晶格参数分析，判断“相纯度” 与 “晶格融入”。
判断逻辑：
① 衍射图谱中仅出现基质材料的特征衍射峰，无掺杂剂单质、氧化物或其他化合物的新衍射峰，证明无独立第二相生成，相纯度达标；
② 基质的特征衍射峰发生规律性偏移，说明掺杂原子融入晶格引发晶格畸变，符合固溶体形成规律；
③ 采用 Rietveld 精修可定量计算晶格参数变化（如晶胞体积膨胀 / 收缩率），进一步佐证掺杂原子的融入程度。
优势：快速便捷，可定量分析晶体结构、晶粒尺寸与晶格应变；局限性：对无定形材料或低结晶度材料灵敏度低，难以检测少量第二相（含量 时易被掩盖）。
图9：PXRD 展示是否出现“掺杂剂/副产物”的额外衍射峰（判断第二相）；同时主峰位置/晶格参数的系统变化可作为掺杂引发晶格畸变的证据。DOI：10.1038/s41467-025-60571-1
（2）透射电子显微镜（TEM/HRTEM/STEM）
核心作用：微观结构与原子级表征，直观验证“晶格融入” 与 “均匀性”。
判断逻辑：
① 高分辨 TEM（HRTEM）图像中，仅观察到基质材料的晶格条纹，无额外晶格条纹或无定形区域；晶格条纹出现局部弯曲、错位等畸变特征，对应掺杂引发的晶格应力，证明掺杂原子融入；
② 扫描透射电子显微镜（STEM）的高角环形暗场（HAADF）成像结合 EDS Mapping，可实现原子级元素分布可视化，掺杂原子的亮斑均匀分布于基质中，无团聚现象；
③ 选区电子衍射（SAED）图谱仅出现基质的衍射环 / 斑点，无额外衍射信号，佐证相纯度。
优势：空间分辨率达原子级，可同时分析形貌、结构与元素分布；局限性：测试成本高，样品制备复杂，对操作人员技能要求高。
图10：HAADF-STEM 对高原子序元素更敏感，常用来观察掺杂原子在晶格中的分布与局部结构扰动（弯曲/位错/应变等），用于原子级佐证“融入性”。DOI：10.1038/s41467-020-18484-8
（3）拉曼光谱
核心作用：晶格振动与分子结构分析，验证“电子结构改性” 与 “晶格缺陷变化”。
判断逻辑：① 基质材料的特征拉曼峰发生偏移，反映电子云密度变化或晶格应力，证明掺杂原子引发电子结构调控；② 特征峰的强度比变化，说明掺杂引入晶格缺陷，与结构调控逻辑一致；③ 无掺杂剂的特征拉曼峰，排除第二相存在。
优势：非破坏性测试，对无定形与结晶态材料均适用，可快速表征局部结构；局限性：对低含量掺杂灵敏度有限，需结合其他表征交叉验证。
图11：通过 D/G变化反映缺陷密度、应力与电子结构耦合的改变，是“掺杂导致局部结构/电子环境变化”的快速证据。DOI：10.1038/s41467-018-04385-4
（4）X 射线吸收精细结构（XAFS）
核心作用：局部原子结构与电子态分析，直接证明“掺杂原子的配位环境”。
判断逻辑：① XANES（X 射线吸收近边结构）谱图中，掺杂原子的吸收边位置与纯掺杂剂不同，反映价态变化与电子转移，证明与基质成键；② EXAFS（扩展 X 射线吸收精细结构）拟合结果显示，掺杂原子的配位原子为基质原子，配位数与键长符合基质晶格的配位环境，直接证实掺杂原子融入基质晶格。
优势：元素选择性强，无需结晶态样品，可分析局部原子结构；局限性：测试依赖同步辐射光源，测试周期长，数据拟合复杂。
图12：XANES 用吸收边/白线强度判断价态与电子结构；EXAFS 拟合给出掺杂原子周围的配位壳层信息，可直接证明掺杂原子与基质成键、进入特定位点。DOI：10.1038/s41467-025-58012-0
（5）傅里叶变换红外光谱（FT-IR）
核心作用：官能团与化学键振动分析，验证“化学成键作用”。
判断逻辑：① 谱图中出现新的特征吸收峰，证明掺杂原子与基质原子形成新的化学键；② 基质原有官能团的吸收峰发生偏移或强度变化，说明掺杂原子引发局部化学环境改变，佐证融入性。
优势：操作便捷，非破坏性，适用于有机 / 无机基质材料；局限性：对无红外活性的化学键不敏感，高结晶度材料的吸收峰较弱。
图13：出现新的特征吸收峰或原有峰位系统性移动，说明掺杂改变局部成键与化学环境；原位 FT-IR 还能把“掺杂–反应中间体/吸附态”的证据链连起来。DOI：10.1038/s41467-025-65040-3
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