纳米二氧化钛禁带宽度调控及其在光电器件中的能级匹配策略

纳米二氧化钛因其优异的化学稳定性、无毒性和独特的光电特性，在光催化、太阳能电池、光电探测器等领域展现出重要应用潜力。
禁带宽度作为其核心电子结构参数，直接影响光吸收范围与载流子迁移效率，而能级匹配则是器件性能优化的关键环节。

**禁带宽度调控机制**
纳米二氧化钛的禁带宽度通常为3.0-3.2 eV（锐钛矿相），仅能吸收紫外光（占太阳光谱约5%），严重限制了实际应用。
通过掺杂、缺陷工程和尺寸效应可有效调控禁带结构：
1. **元素掺杂**：引入过渡金属（如Fe、Co）或非金属（N、C）元素，在价带顶或导带底形成杂质能级，减小有效禁带宽度。
例如，氮掺杂可在价带上方生成新能级，使吸收边红移至可见光区。

2. **氧空位缺陷**：通过氢化或还原处理引入氧空位，在禁带中形成缺陷态，增强可见光响应。
但过量缺陷可能成为复合中心，需平衡光吸收与载流子分离效率。

3. **量子尺寸效应**：当颗粒尺寸小于10 nm时，量子限域效应使能带展宽，禁带宽度增大，适用于需高能激发的特定器件。

**能级匹配策略**
在光电器件中，纳米二氧化钛需与其他功能层（如导电基底、敏化剂或空穴传输层）实现能级对齐，以减少界面势垒并提升电荷传输效率：
- **异质结设计**：与窄带隙半导体（如CdS、BiVO₄）构建II型或Z型异质结，通过能带弯曲促进载流子定向分离。
例如，TiO₂/CdS异质结中，CdS的导带更负，电子自发迁移至TiO₂，抑制复合。

- **表面修饰**：通过分子钝化或缓冲层（如Al₂O₃）修饰界面态，调节费米能级位置，改善能带连续性与欧姆接触性能。

- **梯度能带结构**：多层薄膜中梯度调控掺杂浓度或组分，形成内建电场，加速载流子抽取。

**挑战与展望**
当前研究需解决掺杂均匀性、缺陷可控性及长期稳定性问题。
未来发展方向包括：原子级精准掺杂技术、原位表征手段揭示界面动力学，以及机器学习辅助能级匹配设计。
通过多尺度调控禁带结构与能级对齐，纳米二氧化钛在高效光电器件中的应用边界将进一步拓展。