说明：异质结作为现代材料领域半导体器件的核心构筑单元，其性能直接取决于两种或多种不同半导体材料间界面的质量和特性。

本文旨在系统性地阐述确定异质结形成的多维度方法论，涵盖了TEM、SPM、XRD、XPS、UPS、PL光谱、DFT计算、机器学习模型等，旨在为相关领域的科研人员提供一份结构化、深入的参考指南。

一、异质结是什么？

异质结（Heterojunction）是由两种不同能带结构、不同化学组成或不同晶体结构的半导体 / 导体 / 绝缘体材料接触形成的界面区域，其核心特征是界面处存在能带弯曲、电荷转移或结构重构。

通过能带工程设计，异质结能够有效地控制电子和空穴的输运、分离与复合过程，从而在晶体管、发光二极管（LED）、激光器、太阳能电池和光电探测器等领域发挥着不可或不可或缺的作用。

DOI: 10.1039/d2ma00191h

二、如何确定异质结的形成？

确定异质结的形成并不仅仅是确认两种材料在物理上实现了接触，更关键的是要验证其在界面处形成了预期的电子结构（如能带排列）和高质量的物理结构（如低缺陷密度）。

这一过程充满挑战，因为界面通常被埋藏在材料内部，其结构和性质可能仅在几个原子层的尺度上发生变化，因此，确认异质结的形成需要一个从理论预测到多维度实验验证的综合性策略。

DOI: 10.1039/d2ma00191h

1. 关键理论标准预测异质结形成

预测异质结能否成功形成并具备所需功能，主要依赖于两大核心理论标准：能带排列和晶格匹配。

能带排列

能带排列（Band Alignment）是决定异质结电学和光学性质的根本因素。理论上，能带排列决定了载流子在界面处的行为，是异质结设计的首要考量。

根据两种材料导带底（CBM）和价带顶（VBM）的相对位置，能带排列可分为I型、II型和III型三类异质结。

I型（Straddling Gap）： 一种材料的带隙完全被另一种材料的带隙所覆盖。这种结构倾向于将电子和空穴限制在禁带宽度较窄的材料中，常用于发光器件。

I型异质结类型的能带排列与电荷转移机制。DOI: 10.1039/d2ma00191h

II型（Staggered Gap）： 两种材料的导带和价带相互交错排列。这种结构能够促进光生电子和空穴在空间上的有效分离，是太阳能电池和光电探测器的理想选择。

III型（Broken Gap）： 一种材料的导带底能量低于另一种材料的价带顶能量。这种独特的排列可用于构建隧道场效应晶体管（TFET）等器件。

II型异质结类型的能带排列与电荷转移机制。DOI: 10.1039/d2ma00191h

晶格匹配

对于通过外延生长技术制备的异质结，两种材料的晶格常数匹配度至关重要。较大的晶格失配会在界面处引入应变，当应变超过材料的弹性极限时，会产生位错、悬挂键等缺陷。

这些缺陷作为载流子的复合中心和散射中心，会严重劣化器件性能。因此，选择晶格常数相近的材料是获得高质量异质外延界面的前提。

BP/BiOBr的S型电荷转移机制。DOI: 10.1039/d2ma00191h

2. 多表征交叉验证异质结

在材料制备完成后，需要通过一系列表征手段来验证异质结是否成功形成，并对其结构和性质进行全面评估。

首先直接观察界面处的原子排列是确认异质结形成的最直观证据，这一步主要通过透射电子显微镜（TEM）、扫描探针显微镜（SPM）、X射线衍射（XRD）实现。

DOI: 10.1039/d2ma00191h

透射电子显微镜（TEM）

TEM 利用电子束穿透样品，通过电子的散射与干涉形成图像，高分辨 TEM（HRTEM）可直接观测晶格条纹（分辨率 0.1-0.2 nm），精准分析晶体结构与界面对接状态，明确异质结的宏观形貌与微观结构。

例如，HRTEM 清晰呈现 BP 的褶皱晶格（d=0.33 nm）与 CN 的类石墨层状晶格（d=0.34 nm），验证二者原子级紧密接触，且无明显界面间隙，证明异质结而非物理混合物。

此外，还可通过 TEM 图像判断异质结的维度组合（如 2D/0D CdS 量子点负载、2D/1D 纳米线复合），为后续性能分析提供结构基础。

DOI: 10.1039/d2ma00191h

TEM+XRD：证明异质结构筑成功

TEM与 XRD 相互补充，TEM观测到的复合形貌（如核壳、层状）需与 XRD 检测到的各组分特征衍射峰一致。

DOI: 10.1039/d2ma00191h

扫描探针显微镜（SPM）

扫描探针显微镜（SPM） 包括扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）。

AFM可以提供材料表面的三维形貌，判断生长薄膜的平整度和粗糙度，重点用于层状二维材料异质结的厚度表征与表面状态分析。

STM则能以原子分辨率探测材料表面的形貌和电子态密度，对于研究二维材料异质结的堆叠方式和电子特性尤为强大。

例如在 MoS₂/CN 异质结研究中，AFM 扫描显示CN 基底厚度约 1.2 nm（对应单层），MoS₂负载后厚度增至 3.5 nm，证明 MoS₂为双层覆盖，且表面粗糙度从 0.5 nm 增至 1.2 nm，反映异质结表面活性位点增多。

AFM图像。DOI 10.1002/smtd.202401072

AFM+SEM+HRTEM：确认异质结形貌

AFM与 SEM 配合，AFM 的厚度数据能够补充 SEM 的二维形貌观测，例如在 BiOBr/BP 异质结中，SEM 显示 BiOBr 纳米片呈片状分布，AFM 测得其厚度约 8 nm，结合 HRTEM 的晶格条纹，共同确认 BiOBr 为多层结构且与 BP 紧密结合。

SEM图像。DOI: 10.1039/d4ta06091a

X射线衍射（XRD）

XRD是分析材料晶体结构、晶向和应变状态的常规技术。通过分析异质结样品的衍射峰，可以确认外延层的结晶质量、与衬底的取向关系，并通过峰位的偏移来定量计算晶格失配和应变情况。

例如在 CoAl-LDH/CN 异质结研究中，XRD 同时出现 CoAl-LDH 的特征峰（2θ=11.6°、23.3°）与 CN 的（002）峰（2θ=27.4°），证明双组分共存。且 CN 的（002）峰向低角度偏移0.2°，对应晶面间距增大，表明 CoAl-LDH 与 CN 界面存在电荷转移引发的晶格应力，间接佐证异质结形成。

DOI: 10.1002/admi.202500191

XRD+HRTEM：证明界面应力存在

XRD与 HRTEM 深度联动，XRD 的峰位偏移与 HRTEM 观测到的晶格应变场一致，例如 WO₃/CN 异质结中，XRD 显示 WO₃（200）峰偏移 0.3°，HRTEM 观测到 WO₃晶格条纹出现轻微弯曲，共同证明界面应力存在。

(f) BP/Bi2WO6异质结的HR-TEM图像。DOI: 10.1039/d2ma00191h

其次，确认界面处形成预期的能带结构是判断异质结功能性的核心，而XPS和UPS是测量能带排列最直接、最权威的实验技术。

X射线光电子能谱（XPS）

XPS测量光电子的动能，计算结合能（BE），根据 BE 值确定元素种类、化学态与电荷分布。它能够直接验证异质结中的电荷转移方向与强度，是判断异质结形成的核心证据。

例如在 g-C₃N₄/Cu₂O 异质结中，对比单一材料与异质结的 XPS 峰位：g-C₃N₄的 N 1s 结合能降低（得电子），Cu₂O 的 Cu 2p₃/₂结合能增加（失电子），明确 Cu₂O转向g-C₃N₄的电子转移路径。

DOI: 10.1002/admi.202500191

XPS+PL：证实异质结中的电荷转移

XPS与 PL 光谱互补，XPS 证实的电荷转移需对应 PL 强度的显著猝灭，如 BP/BiVO₄异质结中，XPS 证明电子从 BiVO₄转移至 BP，PL 光谱显示 BiVO₄的荧光峰强度降低 80%，共同证明载流子分离效率提升。

DOI: 10.1039/d2ma00191h

紫外光电子能谱（UPS）

UPS对价带电子态更为敏感，具有更高的能量分辨率，能够精确测量材料的功函数和价带顶相对于费米能级的位置，用于精准测定异质结各组分的功函数与能带边界，确定能带排列类型。

例如，在 Z- 型异质结 CN/Ag₂CrO₄中，UPS 显示 CN 的 Φ=4.7 eV，Ag₂CrO₄的 Φ=5.0 eV，功函数差异导致电子从 CN 转移至 Ag₂CrO₄，形成内建电场，为Z-型电荷转移提供能带基础。

DOI: 10.1039/d1qm00969a

UPS+XPS：证实功函数差异

UPS 的功函数差异需与 XPS 的 BE 峰位偏移一致，如 CN/WO₃异质结中，UPS 测得 CN 的功函数小于WO₃，电子从 CN 转移至 WO₃，XPS 显示 CN 的 N 1s BE 降低（得电子），WO₃的 W 4f 结合能升高（失电子），与 UPS 结果匹配。

DOI：10.7916/D8PP0PK1

光学光谱技术是非接触、无损的表征手段，能够灵敏地反映异质结形成后材料电子和振动性质的变化。这里主要介绍拉曼光谱、光致发光光谱。

拉曼光谱

拉曼光谱对于表征（尤其是二维材料）异质结的形成极为有效。异质结的形成会引入层间耦合、应变和电荷转移，这些都会导致拉曼光谱特征峰发生显著变化，例如峰位的移动、峰强的改变或出现新的振动模式。

例如，在 MoS₂/g-C₃N₄异质结研究中，MoS₂的 E1₂g 峰蓝移至 385 cm⁻1，A₁g 峰红移至 406 cm⁻1，归因于 MoS₂与 g-C₃N₄界面电荷转移引发的晶格应力；同时 g-C₃N₄的 1320 cm⁻1 峰强度降低 30%，证明二者存在界面电子耦合，形成有效异质结。

DOI 10.1002/smtd.202401072

拉曼光谱+TEM：证明界面晶格畸变

拉曼光谱与 TEM 联动，拉曼光谱证明的界面相互作用，需与 TEM 观测的原子级接触对应，如拉曼检测到的新峰（界面键振动），可通过高分辨 TEM 观察到界面处的晶格畸变或化学键连接，形成结构与性能的关联证据。

DOI: 10.1039/d2ma00191h

光致发光光谱

PL光谱是探测半导体带隙和发光特性的直接手段。当形成II型异质结时，由于光生载流子的有效分离，通常会观察到PL强度的显著猝灭。

而在I型异质结中，可能会观察到发光峰位的红移，对应于载流子在窄带隙材料中的复合。

这些PL光谱的变化直接反映了异质结界面处的载流子动力学行为，是判断其形成的重要标志。

例如在 BP/CN 异质结中，单一CN 的 PL 峰强度较高（复合效率高），异质结的 PL 峰强度降低 65%，证明 BP 的引入抑制电子-空穴复合。

PL光谱+EIS+TPC：证明异质结促进载流子分离与传输

PL光谱与 EIS、TPC 深度联动，PL 的猝灭程度需与EIS 的 Nyquist 图圆弧半径减小、TPC 的电流密度升高一致，例如 CoAl-LDH/CN 异质结中，PL 猝灭 70%，EIS 的 Rct从 500 Ω 降至 180 Ω，TPC 电流密度提升 4 倍，共同证明异质结显著促进载流子分离与传输。