本文是由Zhi Zheng（电子科技大学物理学院）、Xiaotao Zu（电子科技大学物理学院）、Yong Zhang（北卡罗来纳大学夏洛特分校电气与计算机工程系）和Weilie Zhou（新奥尔良大学先进材料研究所）共同撰写的综述论文，题为《Rational design of type-II nano-heterojunctions for nanoscale optoelectronics》，发表于2020年8月的《Materials Today Physics》期刊（Volume 15, 100262）。论文聚焦于纳米光电子学领域，系统总结了II型纳米异质结（type-II heterojunction）的材料与结构设计策略及其在光电器件中的应用。
II型异质结因其能带交错排列（staggered band alignment）的特性，可实现光生电子与空穴的空间分离，从而在太阳能电池、光电探测器、发光二极管等纳米光电子器件中展现出独特优势。论文的核心在于阐述如何通过理性设计（rational design）调控II型异质结的界面性质，以实现可控的载流子传输行为。作者从材料科学、物理学和化学的交叉视角，梳理了近年来该领域的关键进展，并特别强调了光物理性质与器件性能的关联性。
能带对齐是决定II型异质结电荷分离效率的核心因素。论文指出，通过精确调控化学成分（如WS₂/WS₂(1-x)Se₂x中Se含量x的变化）或引入偶极层（如磷酸锚定层），可实现能带偏移（band offset）的连续调节。例如： - 化学组成调控：Pan等通过化学气相沉积（CVD）制备的WS₂/WS₂(1-x)Se₂x横向异质结，其PL峰位随x增加红移，证明带隙可调（1.97–1.40 eV），且界面激子发射波长可延伸至近红外（1.52–1.40 eV）。 - 偶极层设计：Wick-Joliat团队在p-Si/n-TiO₂界面插入磷酸分子层，通过调控厚度使真空能级产生0–400 mV的阶跃，最终将太阳能电池的开路电压提升200 mV。
根据导电类型，异质结可分为同型（n-n或p-p）和异型（p-n）结构，二者载流子传输机制迥异： - 异型结：如p-Si/n-ZnO，其光响应依赖于反向偏压下的耗尽区扩展，表现为典型的二极管整流特性。 - 同型结：如n-MoS₂/n-WS₂，由于仅涉及多数载流子输运，其响应速度（45 ms）显著快于p-n结，且光响应度超过40 A/W。Liu等进一步发现，n-Si/n-CdS异质结因耗尽区仅存在于Si侧，光生载流子分离效率优于p-Si/n-CdS结构。
晶体相（crystal phase）和晶面取向（facet orientation）对异质结性能具有决定性作用： - 相结（Phase Junction）：如锐钛矿/金红石TiO₂混相结构，因II型能带排列可降低有效带隙并促进电荷分离，其光催化活性显著高于单一相。 - 晶面异质结（Facet Heterojunction）：Gao等设计的(111)/(101)面异质结TiO₂纳米片/纳米棒三维结构，通过第一性原理计算证实其II型能带对齐，光电流密度比纯TiO₂纳米棒提高45倍。
界面应变可通过调制能带结构影响载流子动力学： - 纳米压痕诱导应变：Liu等在MoS₂/ZnO异质结中引入周期性双轴应变，使MoS₂费米能级上移，降低ZnO的能带弯曲，从而促进电荷转移（PL强度在应变集中区域下降）。 - 直接观测：STM研究显示，WSe₂/MoS₂横向异质结中的应变场可导致II型向I型能带排列的转变，证实应变对界面电子结构的直接调控。
不同维度的异质结（0D、1D、2D）具有独特的量子限制效应和载流子传输路径： - 0D结构：如PbSe/CdSe核壳量子点，其准II型能带排列可减缓热载流子弛豫，使多激子生成（MEG）效率提高4倍。 - 1D核壳结构：CdSe/ZnTe纳米线阵列通过II型能带排列将探测范围扩展至近红外，并利用压电光电子效应（piezo-phototronic effect）使响应度提升4个数量级。 - 2D范德华异质结：MoS₂/WS₂中界面激子的超快转移（<50 fs）与长寿命（~1.8 ns）特性，为高性能光电器件提供了新平台。
压力、电场、磁场和温度等外场可动态调控异质结性能： - 压电光电子效应：ZnO/ZnS核壳纳米线探测器在压力下通过压电势（piezopotential）调制能带，实现紫外-可见宽谱响应。 - 光门控效应（Photogating）：Tan等设计的石墨烯接触WS₂/MoS₂异质结，利用空穴陷阱产生的等效正栅压，使响应度达2340 A/W，内增益超过3.7×10⁴。 - 热释电效应（Pyroelectric Effect）：ZnO/SnS异质结中光致温度梯度诱导的极化电荷可实现光电流极性反转，为多模态传感提供了新思路。
论文系统梳理了II型异质结的制备方法： 1. 溶液相生长：如连续离子层吸附反应（SILAR）可精确控制核壳量子点的壳层厚度（如CdSe/CdS合金界面结构）。 2. 气相沉积：CVD法可制备组分可调的ZnO/CdSSe核壳纳米线阵列，或复杂多级结构（如ZnO/ZnSSe/ZnSe双壳层）。
作者列举了II型异质结在新型光电器件中的潜在应用： - 光子存储器与突触器件：利用长寿命界面激子实现光信息存储。 - 光通信：基于超快电荷转移的波分复用技术。 - 突破Shockley-Queisser极限：通过MEG效应或热载流子提取提高太阳能电池效率。
该综述为纳米光电子器件的设计提供了系统指导，其核心贡献在于： 1. 多尺度关联：从原子级能带工程到宏观器件性能，建立了跨尺度的设计原则。 2. 方法论创新：强调外场调控与结构优化的协同效应（如应变-光电耦合）。 3. 应用导向：针对太阳能转换、光电探测等具体应用场景提出定制化解决方案。
文末，作者指出未来研究需关注界面缺陷控制、规模化制备工艺等挑战，并为二维材料异质结、混合维度器件等新兴方向提供了前瞻性建议。