掺杂是化学材料与催化领域核心的材料改性技术，指在主体材料（基质）中，通过人工调控引入少量异质元素（掺杂剂），改变主体材料化学组成、晶体结构、电子态分布及表面性质的过程。
图1：替位与间隙掺杂。示意掺杂剂以替位或间隙形式进入主体晶格，在主体骨架基本保持的前提下，实现组成与电子结构的定向调控。DOI：10.1039/d0sc06496c
调控电子结构
电子结构是决定材料化学性质、催化性能的核心因素，掺杂技术可通过精准引入异质元素，定向调控主体材料的电子态分布、能带结构及电荷转移能力。对于半导体材料而言，掺杂可改变其载流子浓度与迁移速率，实现从p型到n型半导体的转变，或调控半导体的禁带宽度，适配不同的光电、催化反应需求。
图2：能带重构示意。DOI：10.1038/s41467-017-02631-9
优化晶体结构
晶体结构的完整性与规整度，直接影响材料的力学性能、化学稳定性及催化性能。掺杂过程中，异质元素原子因半径、价态与主体材料原子存在差异，引入后会适度破坏主体材料的晶体规整性，形成晶格畸变、缺陷等结构特征。
这些结构缺陷可成为材料性能提升的关键突破口，晶格畸变能改变材料的晶格参数，优化内部传质、传热效率。
图3：掺杂诱导缺陷。DOI：10.1038/s41467-019-10888-5
提升稳定性
化学稳定性与热稳定性，是材料在实际应用中面临的核心考验，尤其是在高温、高压、强腐蚀等苛刻反应条件下，稳定性直接决定材料应用价值与使用寿命。
掺杂技术可通过引入异质元素，优化材料的化学键强度与晶体结构稳定性，显著提升材料的化学稳定性与热稳定性。在催化领域，掺杂可通过形成稳定化学键、抑制活性组分迁移团聚，提升催化剂抗烧结能力。
图4：循环稳定性提升。DOI：10.1038/s41467-019-11299-2
电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）
该方法是化学组成表征中最常用、最精准的手段之一，核心用于检测掺杂剂的微量、痕量含量，同时可实现多种掺杂剂元素的同步检测。
其原理是利用电感耦合等离子体将样品电离，使掺杂剂元素激发至高能态，高能态原子跃迁时发射特征光谱，通过检测特征光谱的强度，可精准定量分析掺杂剂含量。该方法灵敏度极高，检测限低，准确性好，适用范围广。
图5：ICP-OES含量定量。DOI：10.1038/s41467-023-40912-8
X射线荧光光谱法（XRF）
该方法属于无损检测技术，核心用于掺杂剂含量的快速定性与定量分析，适配大批量样品的快速筛查。
其原理是利用X射线激发样品，使掺杂剂原子的内层电子跃迁，发射出特征荧光，通过分析特征荧光的波长与强度，确定掺杂剂的种类与含量。该方法操作简便、检测速度快，无需对样品进行复杂预处理，可实现样品的无损检测，避免检测过程对样品结构的破坏。
图6：原位XRF追踪。DOI：10.1038/s41467-025-63768-6
元素分析法
该方法主要针对非金属掺杂剂的含量检测，核心用于精准测定掺杂剂的质量分数，适配碳材料、高分子材料等体系的掺杂表征。其原理是通过高温燃烧、氧化等方式，将样品中的非金属掺杂剂转化为对应的气态产物，通过检测气态产物的含量，换算出掺杂剂在样品中的质量分数。
图7：元素分析箱线图。DOI：10.1021/acscentsci.2c00325
X射线衍射法（XRD）
该方法是晶体结构表征的核心手段，核心用于分析掺杂对主体材料晶体结构的影响，判断掺杂剂是否成功进入主体晶格。
其原理是利用X射线照射样品，X射线与样品晶体中的原子发生衍射作用，形成特征衍射图谱，通过分析衍射峰的位置、强度、半高宽等参数，可确定主体材料的晶体结构类型、晶格参数变化。
若掺杂剂成功进入主体晶格，会导致晶格参数改变，衍射峰位置发生偏移；晶格畸变会使衍射峰强度下降、半高宽增大；若出现新衍射峰，则表明可能形成新物相。
图8：XRD峰形变化。DOI：10.1038/s41467-024-55774-x
透射电子显微镜法（TEM）
该方法可实现晶体结构的微观观察，核心用于直观呈现掺杂剂的分布状态、晶格畸变及晶体缺陷等微观特征。
其原理是利用高能电子束穿透样品，通过电子与样品原子的相互作用，形成样品的微观形貌与晶体结构图像，分辨率可达纳米甚至原子级别。通过该方法，可清晰观察到掺杂剂原子在主体材料晶格中的具体位置，判断掺杂剂是否均匀分散、是否存在团聚现象。
图9：HRTEM界面成像。DOI：10.1038/s41467-017-00371-4
X射线光电子能谱法（XPS）
该方法是电子结构表征的核心手段，核心用于检测材料表面的元素组成、化学态及电子云密度变化，解析掺杂的电子调控机理。
其原理是利用X射线照射样品表面，激发表面原子的光电子，通过检测光电子的结合能与动能，确定元素的化学态与电子云密度。
通过分析掺杂剂与主体材料元素的结合能偏移，可判断二者之间是否存在电子转移效应，明确掺杂对活性位点电子云密度的调控作用。
图10：高分辨XPS谱。DOI：10.1038/s41467-025-61129-x
该方法主要用于半导体材料的电子结构表征，核心用于判断掺杂对半导体禁带宽度的调控效果。
其原理是利用紫外–可见光谱照射半导体样品，样品吸收特定波长的光后，电子从价带跃迁到导带，通过检测样品的吸收光谱，分析吸收边的偏移情况，可计算出半导体的禁带宽度。
掺杂可改变半导体的电子态分布，进而调控禁带宽度，若吸收边向短波方向偏移，表明禁带宽度增大；向长波方向偏移，表明禁带宽度减小。
图11：DRS吸收谱。DOI：10.1038/s41467-024-55774-x
拉曼光谱法（Raman）
该方法核心用于表征材料的晶体缺陷、电子态密度变化，间接反映掺杂对主体材料电子结构与晶体结构的影响。
其原理是利用激光照射样品，激光与样品分子、原子发生非弹性碰撞，产生拉曼散射光，通过分析拉曼峰的位置、强度与峰形变化，可判断样品的晶体缺陷浓度、电子态密度变化。
在掺杂体系中，晶格畸变与晶体缺陷会导致拉曼峰偏移、强度变化，电子转移效应会影响拉曼峰的峰形。
图12：Raman缺陷指纹。DOI：10.1038/s41467-025-66466-5
氮气吸附-脱附法
该方法核心用于表征材料的表面结构，检测掺杂对材料比表面积、孔径分布与孔容的影响，适配催化载体、吸附材料的掺杂表征。
其原理是利用氮气在低温下的物理吸附–脱附过程，通过检测氮气的吸附量与脱附量，绘制吸附–脱附等温线，进而计算出材料的比表面积、孔径分布与孔容。
掺杂可改变材料的表面形貌与孔结构，进而影响材料的吸附性能与催化活性，通过该方法可明确掺杂对孔结构的调控效果。
图13：N2吸附等温线。DOI：10.1038/s41467-024-55774-x
程序升温脱附法
该方法核心用于检测材料表面活性位点的数量与强度，分析掺杂对催化活性位点的调控作用。
其原理是将样品置于特定气氛中，逐步升温，使吸附在样品表面活性位点上的物质脱附，通过检测脱附物质的含量与脱附温度，分析活性位点的数量与强度。脱附峰的强度对应活性位点的数量，脱附峰的位置对应活性位点的强度。掺杂可增加活性位点的数量、增强活性位点的强度。
图14：NH3-TPD酸性。DOI：10.1038/s41467-025-55838-6
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