二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)：制備工藝、性能調(diào)控與應(yīng)用前景一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今社會(huì)，能源與環(huán)境問(wèn)題已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求與日俱增，而傳統(tǒng)化石能源的大量消耗不僅導(dǎo)致其儲(chǔ)量逐漸減少，還引發(fā)了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。例如，化石燃料燃燒所釋放的大量二氧化碳等溫室氣體，是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一，進(jìn)而引發(fā)海平面上升、極端氣候事件增多等一系列生態(tài)危機(jī)。同時(shí)，工業(yè)廢水、廢氣和廢渣的排放，以及農(nóng)業(yè)面源污染等，使得水資源污染、土壤污染和空氣污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成了極大的威脅。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)清潔、可持續(xù)的能源以及高效的環(huán)境污染治理技術(shù)迫在眉睫。半導(dǎo)體光催化技術(shù)作為一種綠色、環(huán)保的技術(shù)，在能源轉(zhuǎn)化和環(huán)境治理領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力，受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。該技術(shù)利用半導(dǎo)體材料在光照下產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)，引發(fā)一系列氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化以及對(duì)有機(jī)污染物的降解等功能。例如，在光解水產(chǎn)氫過(guò)程中，半導(dǎo)體光催化劑能夠吸收光能，將水分解為氫氣和氧氣，氫氣作為一種清潔能源，燃燒后只產(chǎn)生水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染，有望成為未來(lái)替代化石能源的重要選擇。在環(huán)境治理方面，半導(dǎo)體光催化可以有效地降解水中的有機(jī)污染物，如染料、農(nóng)藥、抗生素等，以及空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等污染物，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二氧化碳和水等小分子物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的凈化。然而，傳統(tǒng)的單一半導(dǎo)體材料在光催化應(yīng)用中存在一些局限性，限制了其光催化效率的進(jìn)一步提高。例如，大多數(shù)半導(dǎo)體材料的光吸收范圍較窄，只能吸收紫外光或部分可見(jiàn)光，對(duì)太陽(yáng)能的利用率較低。此外，光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合速率較快，導(dǎo)致光生載流子的壽命較短，無(wú)法充分參與光催化反應(yīng)，從而降低了光催化活性。為了克服這些問(wèn)題，研究人員致力于開(kāi)發(fā)新型的半導(dǎo)體光催化材料和體系。二維材料與氧化物半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)是近年來(lái)光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。二維材料，如石墨烯、過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）、黑磷等，具有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。它們通常具有原子級(jí)厚度的二維平面結(jié)構(gòu)，這使得其具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，二維材料還具有高載流子遷移率、可調(diào)控的帶隙等特性，能夠有效地促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。例如，石墨烯具有優(yōu)異的電子遷移率和良好的導(dǎo)電性，能夠快速地傳輸光生電子，減少電子-空穴對(duì)的復(fù)合。過(guò)渡金屬二硫化物（如MoS?、WS?等）具有合適的帶隙，能夠吸收可見(jiàn)光，并且在光催化反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的活性。當(dāng)二維材料與氧化物半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩者之間的能帶結(jié)構(gòu)匹配和界面相互作用，可以產(chǎn)生許多協(xié)同效應(yīng)，從而顯著提高光催化性能。首先，異質(zhì)結(jié)的形成可以拓寬光吸收范圍，使復(fù)合材料能夠吸收更寬波長(zhǎng)范圍的光，提高對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。其次，異質(zhì)結(jié)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)能夠有效地促進(jìn)光生電子和空穴的分離，降低它們的復(fù)合幾率，從而提高光生載流子的濃度和壽命，增強(qiáng)光催化活性。此外，二維材料與氧化物半導(dǎo)體之間的界面相互作用還可以調(diào)節(jié)材料的表面性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化光催化反應(yīng)的活性和選擇性。本研究聚焦于二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的制備及其光電化學(xué)與光催化性能的研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論層面，深入探究二維材料與氧化物半導(dǎo)體之間的界面相互作用機(jī)制、光生載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸過(guò)程，有助于揭示異質(zhì)結(jié)光催化的本質(zhì)，豐富和完善半導(dǎo)體光催化理論，為新型光催化材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，開(kāi)發(fā)高效的二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光催化劑，有望在能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高效的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化，如提高光解水產(chǎn)氫的效率、提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率等，為解決能源危機(jī)提供新的途徑和方法。在環(huán)境領(lǐng)域，該異質(zhì)結(jié)光催化劑可用于更有效地降解各種有機(jī)污染物，凈化空氣和水體，改善環(huán)境質(zhì)量，對(duì)于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡的維護(hù)具有重要意義。1.2二維材料與氧化物半導(dǎo)體概述二維材料是指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱等。自2004年曼徹斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單原子層的石墨烯以來(lái)，二維材料因其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。二維材料的原子排列呈二維平面結(jié)構(gòu)，層間通過(guò)范德華力相互作用，這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了它們?cè)S多優(yōu)異的特性。例如，石墨烯具有極高的電子遷移率，可達(dá)5000-13000cm2/Vs，是傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，這使得石墨烯在高速電子器件應(yīng)用中具有巨大潛力；同時(shí)，它還擁有出色的熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，其熱導(dǎo)率可高達(dá)5000W/mK，拉伸強(qiáng)度達(dá)到130GPa，使其在散熱材料和高強(qiáng)度復(fù)合材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。過(guò)渡金屬二硫化物（如MoS?、WS?）具有獨(dú)特的光電性能，它們?cè)诳梢?jiàn)光范圍內(nèi)具有較高的光吸收系數(shù)，且載流子遷移率較高，這使得它們?cè)诠怆娖骷绻怆娞綔y(cè)器、發(fā)光二極管等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。黑磷具有可調(diào)節(jié)的帶隙，通過(guò)控制層數(shù)可以實(shí)現(xiàn)帶隙在0.3-2.0eV之間變化，這一特性使其在半導(dǎo)體器件和光電器件中具有潛在的應(yīng)用前景。氧化物半導(dǎo)體是一類具有半導(dǎo)體特性的氧化物化合物，其電學(xué)性質(zhì)與環(huán)境氣氛密切相關(guān)。當(dāng)處于氧化氣氛中時(shí)，部分氧化物半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，這類屬于p型半導(dǎo)體；而在還原氣氛中導(dǎo)電性能增強(qiáng)的則為n型半導(dǎo)體；還有一些氧化物半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型會(huì)隨著環(huán)境中氧氣分壓的變化而改變，被稱為兩性半導(dǎo)體。氧化物半導(dǎo)體具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，首先，它們通常具有較大的禁帶寬度，這使得它們?cè)谑覝叵戮哂休^低的導(dǎo)電性，能夠有效降低器件的功耗，例如ZnO的禁帶寬度約為3.37eV，在室溫下表現(xiàn)出良好的絕緣性能。其次，氧化物半導(dǎo)體具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在不同的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能，如SnO?在高溫、高濕度等惡劣環(huán)境下仍能保持其半導(dǎo)體特性，因此適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景，包括電子器件、傳感器和光學(xué)器件等。此外，氧化物半導(dǎo)體的制備工藝相對(duì)靈活，可以通過(guò)多種方法進(jìn)行合成和加工，如通過(guò)純金屬在高溫下直接氧化，或者利用金屬氯化物與水的復(fù)分解反應(yīng)等低溫化學(xué)反應(yīng)來(lái)制備非單晶氧化物；而對(duì)于氧化物單晶的制備，則可采用火焰熔融法、熔體生長(zhǎng)法和氣相反應(yīng)生長(zhǎng)法等，這些制備方法能夠滿足不同應(yīng)用對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的要求。常見(jiàn)的氧化物半導(dǎo)體包括ZnO、CdO、SnO?等，它們常用于制造氣體敏感元件，利用其在不同氣體環(huán)境下電學(xué)性質(zhì)的變化來(lái)檢測(cè)氣體的種類和濃度；Fe?O?、Cr?O?、Al?O?等則常用于制造濕度敏感元件，通過(guò)對(duì)環(huán)境濕度的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)濕度檢測(cè)功能；SnO?薄膜還可用于制作透明電極，因其具有良好的導(dǎo)電性和光學(xué)透明性，在平板顯示器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。將二維材料與氧化物半導(dǎo)體結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，為光催化和光電化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。一方面，二維材料的高載流子遷移率和大比表面積能夠促進(jìn)光生載流子的快速傳輸和分離，增加反應(yīng)活性位點(diǎn)。例如，石墨烯與TiO?形成異質(zhì)結(jié)后，石墨烯能夠迅速捕獲TiO?產(chǎn)生的光生電子并進(jìn)行快速傳輸，有效抑制了電子-空穴對(duì)的復(fù)合，從而提高了光催化效率。另一方面，氧化物半導(dǎo)體的合適能帶結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性可以提供良好的光催化反應(yīng)平臺(tái)和穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。以ZnO與MoS?形成的異質(zhì)結(jié)為例，ZnO的寬帶隙使其能夠吸收紫外光，而MoS?則可吸收可見(jiàn)光，兩者結(jié)合拓寬了光吸收范圍，并且ZnO的化學(xué)穩(wěn)定性保證了異質(zhì)結(jié)在光催化反應(yīng)中的穩(wěn)定性。此外，異質(zhì)結(jié)界面處形成的內(nèi)建電場(chǎng)能夠進(jìn)一步促進(jìn)光生載流子的定向遷移，提高光生載流子的分離效率，從而顯著提升異質(zhì)結(jié)的光電化學(xué)和光催化性能。1.3研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)本研究聚焦于二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，從制備工藝到性能探究，再到應(yīng)用前景分析，進(jìn)行了系統(tǒng)且深入的研究，旨在為光催化和光電化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供新的材料體系和理論支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的制備：探索化學(xué)氣相沉積法（CVD）、水熱法、溶膠-凝膠法等不同制備方法，以實(shí)現(xiàn)二維材料（如石墨烯、MoS?、黑磷等）與氧化物半導(dǎo)體（如TiO?、ZnO、SnO?等）的有效復(fù)合，制備出高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。在使用CVD法時(shí)，精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量和沉積時(shí)間等參數(shù)，以確保二維材料在氧化物半導(dǎo)體表面均勻生長(zhǎng)，形成良好的界面接觸。對(duì)于水熱法，優(yōu)化反應(yīng)溶液的濃度、pH值和反應(yīng)時(shí)間，調(diào)控異質(zhì)結(jié)的形貌和結(jié)構(gòu)。同時(shí)，運(yùn)用XRD、TEM、SEM、XPS等多種表征手段，對(duì)制備的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析，深入了解其晶體結(jié)構(gòu)、元素分布、界面狀態(tài)等信息，為后續(xù)性能研究奠定基礎(chǔ)。異質(zhì)結(jié)的光電化學(xué)性能研究：通過(guò)光電流測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜（EIS）、Mott-Schottky分析等手段，深入研究異質(zhì)結(jié)在光照下的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，包括光生載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸機(jī)制。測(cè)量不同光照強(qiáng)度下的光電流響應(yīng)，分析光電流與光照強(qiáng)度的關(guān)系，探究光生載流子的產(chǎn)生效率。利用EIS研究異質(zhì)結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移電阻，評(píng)估光生載流子在異質(zhì)結(jié)界面的傳輸能力。通過(guò)Mott-Schottky分析確定異質(zhì)結(jié)的平帶電位和載流子濃度，深入理解其電學(xué)性質(zhì)。此外，研究異質(zhì)結(jié)在不同電解質(zhì)溶液中的光電化學(xué)穩(wěn)定性，考察其在實(shí)際應(yīng)用中的耐久性。異質(zhì)結(jié)的光催化性能研究：以有機(jī)污染物（如亞甲基藍(lán)、羅丹明B、苯酚等）的降解和光解水產(chǎn)氫為模型反應(yīng)，系統(tǒng)研究二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的光催化活性和選擇性。在有機(jī)污染物降解實(shí)驗(yàn)中，將一定量的異質(zhì)結(jié)光催化劑加入到含有有機(jī)污染物的溶液中，在特定波長(zhǎng)的光照下進(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)溶液中污染物濃度隨時(shí)間的變化，計(jì)算光催化降解速率和降解效率，對(duì)比不同異質(zhì)結(jié)組成和結(jié)構(gòu)對(duì)降解性能的影響。在光解水產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中，搭建光解水裝置，以異質(zhì)結(jié)為光催化劑，在光照下催化水分解產(chǎn)生氫氣，通過(guò)氣相色譜等手段檢測(cè)產(chǎn)生的氫氣量，研究異質(zhì)結(jié)的光解水產(chǎn)氫活性和穩(wěn)定性。同時(shí)，運(yùn)用自由基捕獲實(shí)驗(yàn)和電子自旋共振（ESR）技術(shù)，探究光催化反應(yīng)過(guò)程中的活性物種，揭示光催化反應(yīng)機(jī)理。異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用前景分析：評(píng)估二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在實(shí)際環(huán)境修復(fù)和能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。針對(duì)環(huán)境修復(fù)，考慮其在不同水質(zhì)和復(fù)雜污染物體系中的光催化降解效果，分析其對(duì)實(shí)際工業(yè)廢水、生活污水中有機(jī)污染物的去除能力，探討其在大規(guī)模環(huán)境凈化應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢(shì)。在能源轉(zhuǎn)換方面，研究其與其他能源技術(shù)（如太陽(yáng)能電池、燃料電池等）的集成可能性，評(píng)估其對(duì)提高能源轉(zhuǎn)換效率的作用，分析其在可持續(xù)能源發(fā)展中的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。同時(shí)，考慮異質(zhì)結(jié)的制備成本、穩(wěn)定性和可規(guī)?；a(chǎn)等因素，綜合評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：制備方法創(chuàng)新：將激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積（LICVD）與分子束外延（MBE）相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種全新的制備二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的方法。LICVD能夠在較低溫度下實(shí)現(xiàn)快速沉積，有效減少熱應(yīng)力對(duì)異質(zhì)結(jié)界面的影響；MBE則可精確控制原子層的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)界面原子級(jí)別的精準(zhǔn)調(diào)控。這種復(fù)合制備方法有望制備出具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的異質(zhì)結(jié)，為二維材料與氧化物半導(dǎo)體的復(fù)合提供新的技術(shù)路徑。性能研究創(chuàng)新：運(yùn)用時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）和瞬態(tài)吸收光譜（TAS）等先進(jìn)的瞬態(tài)光譜技術(shù)，從皮秒到納秒的時(shí)間尺度上，實(shí)時(shí)追蹤光生載流子在異質(zhì)結(jié)中的產(chǎn)生、遷移、復(fù)合等動(dòng)態(tài)過(guò)程。與傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)測(cè)試技術(shù)相比，這些瞬態(tài)光譜技術(shù)能夠提供更豐富、更準(zhǔn)確的光生載流子動(dòng)力學(xué)信息，深入揭示異質(zhì)結(jié)光催化和光電化學(xué)過(guò)程的微觀機(jī)制，為異質(zhì)結(jié)性能的優(yōu)化提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。應(yīng)用拓展創(chuàng)新：首次探索將二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化領(lǐng)域。在室內(nèi)空氣凈化方面，利用異質(zhì)結(jié)的光催化性能，有效降解室內(nèi)空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和細(xì)菌等污染物，為改善室內(nèi)空氣質(zhì)量提供新的解決方案。在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化領(lǐng)域，結(jié)合異質(zhì)結(jié)的光電化學(xué)特性，開(kāi)發(fā)出一種新型的光熱-光電協(xié)同海水淡化系統(tǒng)，提高海水淡化效率，降低能耗，為解決水資源短缺問(wèn)題開(kāi)辟新的途徑。二、二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)制備方法2.1模板法模板法是一種借助特定模板來(lái)精確調(diào)控材料生長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)，在二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的制備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它能夠利用模板的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，引導(dǎo)氧化物半導(dǎo)體在特定的位置和方向上生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和形貌的精準(zhǔn)控制。同時(shí)，模板法還可以通過(guò)選擇不同的模板材料和制備工藝，來(lái)調(diào)控異質(zhì)結(jié)的組成和性能，為制備高性能的二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)提供了一種有效的途徑。2.1.1原理與流程模板法的基本原理是利用模板的空間限制和導(dǎo)向作用，引導(dǎo)目標(biāo)材料在其表面或內(nèi)部按照模板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生長(zhǎng)，從而獲得具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的材料。以制備TiO?納米孔陣列結(jié)構(gòu)光電極為例，其操作流程如下：首先，選擇合適的模板，如陽(yáng)極氧化鋁（AAO）模板，AAO模板具有高度有序的納米孔陣列結(jié)構(gòu)，孔徑和孔間距可以通過(guò)制備工藝精確控制。將AAO模板放置在基底上，然后將含有鈦源（如鈦酸丁酯）的溶液引入模板的納米孔中。在一定的條件下，如適當(dāng)?shù)臏囟群头磻?yīng)時(shí)間，鈦源在納米孔內(nèi)發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，逐漸形成TiO?納米結(jié)構(gòu)。反應(yīng)完成后，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄈコ０澹绮捎没瘜W(xué)腐蝕的方法溶解AAO模板，即可得到TiO?納米孔陣列結(jié)構(gòu)光電極。在這個(gè)過(guò)程中，AAO模板的納米孔起到了模板的作用，限制了TiO?的生長(zhǎng)空間，使得TiO?能夠按照納米孔的形狀和排列方式生長(zhǎng)，從而形成高度有序的納米孔陣列結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠增加光電極與電解液的接觸面積，提高光生載流子的傳輸效率，進(jìn)而提升光電極的光電化學(xué)性能。2.1.2案例分析在FTO玻璃表面制備TiO?納米孔陣列光電極并負(fù)載MoS?納米片是一個(gè)典型的應(yīng)用案例。在該案例中，首先通過(guò)陽(yáng)極氧化法制備AAO模板，將鋁片在特定的電解液（如草酸溶液）中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，在鋁片表面形成一層具有納米孔陣列結(jié)構(gòu)的AAO膜。然后將FTO玻璃基底與AAO模板緊密貼合，將含有鈦源的溶液通過(guò)浸漬或旋涂的方法引入AAO模板的納米孔中，經(jīng)過(guò)水解、縮聚和熱處理等過(guò)程，在納米孔內(nèi)形成TiO?納米結(jié)構(gòu)，隨后去除AAO模板，得到TiO?納米孔陣列光電極。接著，采用水熱法在TiO?納米孔陣列光電極表面負(fù)載MoS?納米片，將含有鉬源（如鉬酸鈉）和硫源（如硫脲）的溶液與TiO?納米孔陣列光電極一起放入反應(yīng)釜中，在一定的溫度和時(shí)間條件下，鉬源和硫源發(fā)生反應(yīng)，在TiO?表面生長(zhǎng)出MoS?納米片，形成TiO?/MoS?異質(zhì)結(jié)。這種制備方法具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)AAO模板的精確導(dǎo)向，制備出的TiO?納米孔陣列具有高度有序的結(jié)構(gòu)，孔徑和孔間距均勻，比表面積大，這為MoS?納米片的負(fù)載提供了豐富的位點(diǎn)，有利于提高異質(zhì)結(jié)的活性表面積，增強(qiáng)光催化和光電化學(xué)性能。例如，有序的TiO?納米孔陣列能夠增加光的散射和吸收，提高光的利用效率，同時(shí)為光生載流子的傳輸提供了快速通道，減少了載流子的復(fù)合。水熱法負(fù)載MoS?納米片能夠?qū)崿F(xiàn)MoS?與TiO?之間良好的界面接觸，有利于光生載流子在異質(zhì)結(jié)界面的轉(zhuǎn)移和分離，從而提高光催化和光電化學(xué)性能。然而，該方法也存在一定的局限性。陽(yáng)極氧化法制備AAO模板的過(guò)程較為復(fù)雜，需要精確控制電解液的組成、濃度、溫度、電壓等參數(shù)，制備周期較長(zhǎng)，成本較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在負(fù)載MoS?納米片的水熱過(guò)程中，反應(yīng)條件的控制對(duì)MoS?的形貌和生長(zhǎng)均勻性影響較大，如果反應(yīng)條件不合適，可能導(dǎo)致MoS?納米片的團(tuán)聚或生長(zhǎng)不均勻，影響異質(zhì)結(jié)的性能。此外，模板法制備過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，如模板殘留或反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，這些雜質(zhì)可能會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。2.2化學(xué)氣相沉積法（CVD）化學(xué)氣相沉積法（CVD）在材料制備領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位，是一種能夠在基底表面通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)沉積固態(tài)薄膜的技術(shù)。其基本原理是將氣態(tài)的反應(yīng)物（通常稱為前驅(qū)體）輸送到反應(yīng)室中，在特定的條件下，如高溫、等離子體激發(fā)或激光誘導(dǎo)等，這些前驅(qū)體在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成所需的固態(tài)物質(zhì)，并逐漸沉積在基底上形成薄膜。這種方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如能夠精確控制薄膜的厚度、成分和結(jié)構(gòu)，可制備出高質(zhì)量、均勻性好的薄膜材料；可以在各種形狀和材質(zhì)的基底上進(jìn)行沉積，具有廣泛的適用性；能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制備，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。在二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的制備中，CVD法能夠精確控制二維材料在氧化物半導(dǎo)體表面的生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面，從而為研究異質(zhì)結(jié)的光電化學(xué)和光催化性能提供了有力的手段。2.2.1原理與流程CVD法的原理基于氣態(tài)前驅(qū)體在高溫或其他能量激發(fā)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)產(chǎn)物并在基底表面沉積。在高溫環(huán)境下，氣態(tài)的金屬有機(jī)化合物（如鉬的有機(jī)化合物）和反應(yīng)氣體（如硒化氫）被輸送到反應(yīng)室中。當(dāng)它們到達(dá)加熱的基底表面時(shí)，金屬有機(jī)化合物分解，釋放出金屬原子（如鉬原子），同時(shí)硒化氫也發(fā)生分解，產(chǎn)生硒原子。這些原子在基底表面相互反應(yīng)，形成MoSe?晶體，并逐漸沉積在基底上，從而生長(zhǎng)出MoSe?薄膜。如果在沉積MoSe?薄膜之前，基底表面已經(jīng)存在氧化物半導(dǎo)體（如TiO?薄膜），則可以在其表面繼續(xù)生長(zhǎng)MoSe?，形成MoSe?/TiO?異質(zhì)結(jié)。以制備MoSe?薄膜及MoSe?異質(zhì)結(jié)為例，其流程如下：首先對(duì)基底進(jìn)行預(yù)處理，如清洗和拋光等，以確?；妆砻娴那鍧嵑推秸瑸楹罄m(xù)的薄膜生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)。將預(yù)處理后的基底放入反應(yīng)室中，抽真空以排除反應(yīng)室內(nèi)的空氣和其他雜質(zhì)，為反應(yīng)創(chuàng)造一個(gè)純凈的環(huán)境。通過(guò)氣路系統(tǒng)將氣態(tài)前驅(qū)體（如六羰基鉬和硒化氫）和載氣（如氬氣）按一定比例和流量輸送到反應(yīng)室中。開(kāi)啟加熱系統(tǒng)，將反應(yīng)室和基底加熱到合適的溫度，通常在幾百攝氏度到上千攝氏度之間，具體溫度取決于前驅(qū)體的性質(zhì)和反應(yīng)要求。在高溫下，前驅(qū)體在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成MoSe?并逐漸沉積在基底上，形成MoSe?薄膜。如果要制備MoSe?異質(zhì)結(jié)，則在沉積MoSe?之前，需要先在基底上制備好氧化物半導(dǎo)體薄膜，或者在已有的氧化物半導(dǎo)體基底上進(jìn)行MoSe?的沉積。沉積完成后，關(guān)閉加熱系統(tǒng)和氣體供應(yīng)，讓反應(yīng)室和基底自然冷卻至室溫，然后取出樣品，得到制備好的MoSe?薄膜或MoSe?異質(zhì)結(jié)。2.2.2案例分析在一項(xiàng)研究中，采用CVD法在藍(lán)寶石基底上成功制備了MoSe?薄膜，并進(jìn)一步與ZnO納米線陣列復(fù)合形成MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)。在制備MoSe?薄膜時(shí)，通過(guò)精確控制六羰基鉬和硒化氫的流量、反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了MoSe?薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng)。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，制備的MoSe?薄膜均勻覆蓋在藍(lán)寶石基底上，厚度均勻，且具有良好的結(jié)晶性。通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，MoSe?與ZnO納米線之間形成了清晰的異質(zhì)結(jié)界面，界面處原子排列緊密，沒(méi)有明顯的缺陷和雜質(zhì)。這種制備方法使得MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。在光電流測(cè)試中，該異質(zhì)結(jié)在可見(jiàn)光照射下產(chǎn)生了明顯的光電流響應(yīng)，且光電流密度比單一的ZnO納米線陣列有顯著提高。這是因?yàn)镸oSe?具有較高的光吸收系數(shù)和載流子遷移率，能夠有效地吸收可見(jiàn)光并產(chǎn)生光生載流子，而ZnO納米線陣列則為光生載流子的傳輸提供了快速通道。異質(zhì)結(jié)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)了光生電子和空穴的分離，減少了它們的復(fù)合幾率，從而提高了光電流密度。在光催化性能方面，以降解亞甲基藍(lán)為模型反應(yīng)，研究了MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)的光催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在可見(jiàn)光照射下，MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)能夠快速降解亞甲基藍(lán)，其降解效率明顯高于單一的MoSe?薄膜和ZnO納米線陣列。這是由于異質(zhì)結(jié)的形成拓寬了光吸收范圍，MoSe?吸收可見(jiàn)光產(chǎn)生的光生電子能夠迅速轉(zhuǎn)移到ZnO的導(dǎo)帶上，而光生空穴則留在MoSe?的價(jià)帶上，使得光生載流子能夠有效地參與光催化反應(yīng)，提高了光催化活性。2.3溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是一種通過(guò)液相中前驅(qū)體的水解和縮聚反應(yīng)，制備無(wú)機(jī)氧化物和復(fù)合材料的濕化學(xué)合成方法。該方法在材料科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，尤其在制備二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它能夠在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)材料的合成，有效避免了高溫過(guò)程中可能出現(xiàn)的元素?fù)]發(fā)、相分離等問(wèn)題，從而保持材料的高純度和均勻性。此外，溶膠-凝膠法還可以精確控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，如前驅(qū)體的濃度、反應(yīng)溫度、pH值等，可以制備出具有不同形貌和結(jié)構(gòu)的材料，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.3.1原理與流程溶膠-凝膠法的基本原理是利用金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽等前驅(qū)體在溶液中發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，首先形成溶膠，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，最后經(jīng)過(guò)干燥和熱處理等步驟得到所需的材料。以制備g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)材料為例，其具體操作步驟如下：首先，將適量的鈦酸四丁酯溶解在無(wú)水乙醇中，形成均勻的溶液。在攪拌的條件下，緩慢滴加一定量的去離子水和冰醋酸，冰醋酸的作用是調(diào)節(jié)溶液的pH值，控制水解反應(yīng)的速率。此時(shí)，鈦酸四丁酯會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，生成氫氧化鈦，同時(shí)伴隨著縮聚反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸形成含有TiO?納米顆粒的溶膠。將適量的g-C?N?粉末加入到上述溶膠中，繼續(xù)攪拌，使g-C?N?均勻分散在溶膠體系中。將混合均勻的溶膠轉(zhuǎn)移至模具中，在一定溫度下進(jìn)行陳化處理，使溶膠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。凝膠形成后，經(jīng)過(guò)干燥處理去除其中的溶劑和水分，得到干凝膠。將干凝膠在高溫下進(jìn)行煅燒處理，進(jìn)一步去除殘留的有機(jī)物，同時(shí)促進(jìn)TiO?晶體的生長(zhǎng)和結(jié)晶，使g-C?N?與TiO?之間形成緊密的界面結(jié)合，最終得到g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)材料。2.3.2案例分析在一項(xiàng)關(guān)于g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化性能的研究中，采用溶膠-凝膠法成功制備了該異質(zhì)結(jié)材料，并對(duì)其光催化性能進(jìn)行了深入研究。通過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)，制備的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)中，TiO?呈現(xiàn)出銳鈦礦相，且g-C?N?與TiO?之間沒(méi)有明顯的雜峰，表明兩者之間形成了良好的復(fù)合結(jié)構(gòu)。TEM圖像顯示，TiO?納米顆粒均勻地分布在g-C?N?的表面，兩者之間的界面清晰，有利于光生載流子的傳輸和分離。在光催化性能測(cè)試中，以亞甲基藍(lán)為目標(biāo)污染物，考察了g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光催化降解活性。結(jié)果表明，在可見(jiàn)光照射下，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)對(duì)亞甲基藍(lán)的降解效率明顯高于單一的g-C?N?和TiO?。這是因?yàn)間-C?N?具有較窄的帶隙，能夠吸收可見(jiàn)光，與TiO?復(fù)合后，拓寬了光吸收范圍，增加了對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。異質(zhì)結(jié)界面處形成的內(nèi)建電場(chǎng)有效地促進(jìn)了光生電子和空穴的分離，減少了它們的復(fù)合幾率，提高了光催化活性。通過(guò)自由基捕獲實(shí)驗(yàn)和ESR測(cè)試，進(jìn)一步探究了光催化反應(yīng)的機(jī)理。結(jié)果表明，在光催化降解亞甲基藍(lán)的過(guò)程中，?OH和?O??是主要的活性物種。g-C?N?吸收可見(jiàn)光產(chǎn)生的光生電子轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，與吸附在TiO?表面的氧氣反應(yīng)生成?O??；而光生空穴則留在g-C?N?的價(jià)帶上，與水反應(yīng)生成?OH。這些活性物種具有強(qiáng)氧化性，能夠?qū)喖谆{(lán)氧化分解為無(wú)害的小分子物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)亞甲基藍(lán)的光催化降解。綜上所述，溶膠-凝膠法制備的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)具有良好的光催化性能，這得益于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和組成，以及異質(zhì)結(jié)界面處的協(xié)同效應(yīng)。該方法為制備高性能的二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)提供了一種有效的途徑，在光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2.4熱解法熱解法作為一種重要的材料制備方法，在二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的合成中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該方法通過(guò)對(duì)原料進(jìn)行高溫處理，使其發(fā)生熱分解反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)材料的合成與復(fù)合。熱解法具有工藝簡(jiǎn)單、成本較低、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出具有良好結(jié)晶性和界面結(jié)合的異質(zhì)結(jié)材料，為光催化和光電化學(xué)領(lǐng)域提供了性能優(yōu)良的材料選擇。2.4.1原理與流程熱解法的原理是利用高溫使原料發(fā)生分解、化合等化學(xué)反應(yīng)，從而生成目標(biāo)產(chǎn)物。以制備g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)材料為例，其具體流程如下：首先，準(zhǔn)備好適量的g-C?N?和TiO?原料，可通過(guò)購(gòu)買商業(yè)產(chǎn)品或自行合成獲得。將這兩種原料按照一定的比例進(jìn)行混合，例如，為了探究不同比例對(duì)異質(zhì)結(jié)性能的影響，可以設(shè)置g-C?N?與TiO?的質(zhì)量比為1:1、1:2、2:1等多個(gè)實(shí)驗(yàn)組。采用機(jī)械攪拌或超聲分散等方式，使g-C?N?和TiO?充分混合均勻，確保在后續(xù)的熱解過(guò)程中能夠充分接觸并發(fā)生相互作用。將混合均勻的原料放入高溫爐中，在一定的溫度和氣氛條件下進(jìn)行煅燒。煅燒溫度通常在500-800℃之間，這是因?yàn)樵谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)，g-C?N?和TiO?能夠發(fā)生適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。若溫度過(guò)低，可能無(wú)法使原料充分反應(yīng)，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)形成不完全；而溫度過(guò)高，則可能會(huì)使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致部分成分揮發(fā)，影響異質(zhì)結(jié)的性能。煅燒時(shí)間一般為2-6小時(shí)，具體時(shí)間需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和材料要求進(jìn)行優(yōu)化。氣氛條件也會(huì)對(duì)熱解過(guò)程產(chǎn)生影響，常見(jiàn)的氣氛有空氣、氮?dú)狻鍤獾?。在空氣中煅燒，可能?huì)使部分原料發(fā)生氧化反應(yīng)；而在氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺夥罩徐褵瑒t可以避免氧化，保持原料的原有化學(xué)組成。經(jīng)過(guò)高溫煅燒后，自然冷卻至室溫，即可得到g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)材料。2.4.2案例分析在一項(xiàng)研究中，研究人員采用熱解法制備了g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)，并對(duì)其光催化性能進(jìn)行了深入研究。通過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)，制備的異質(zhì)結(jié)中g(shù)-C?N?和TiO?的晶體結(jié)構(gòu)均得以保留，且在XRD圖譜中未出現(xiàn)明顯的雜質(zhì)峰，表明兩者之間形成了良好的復(fù)合結(jié)構(gòu)，沒(méi)有引入其他雜質(zhì)相。TEM圖像顯示，g-C?N?片層與TiO?納米顆粒緊密結(jié)合，TiO?納米顆粒均勻地分布在g-C?N?片層表面，這種緊密的結(jié)合方式有利于光生載流子在兩者之間的傳輸和分離。在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，以300W氙燈作為模擬太陽(yáng)光光源，將一定量的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑加入到含有亞甲基藍(lán)的溶液中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬太陽(yáng)光照射下，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)對(duì)亞甲基藍(lán)的降解效率明顯高于單一的g-C?N?和TiO?。在相同的光照時(shí)間內(nèi)，單一的g-C?N?對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率僅為30%左右，單一的TiO?對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率約為40%，而g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)在質(zhì)量比為1:1時(shí)，對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率可達(dá)到80%以上。這是因?yàn)間-C?N?具有較窄的帶隙，能夠吸收可見(jiàn)光，與TiO?復(fù)合后，拓寬了光吸收范圍，增加了對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。異質(zhì)結(jié)界面處形成的內(nèi)建電場(chǎng)有效地促進(jìn)了光生電子和空穴的分離，減少了它們的復(fù)合幾率，使得更多的光生載流子能夠參與到光催化反應(yīng)中，從而提高了光催化活性。然而，熱解法也存在一些不足之處。熱解法制備過(guò)程中，高溫煅燒可能會(huì)導(dǎo)致材料的團(tuán)聚現(xiàn)象，使得材料的比表面積減小，活性位點(diǎn)減少，從而影響光催化性能。例如，在高溫煅燒過(guò)程中，TiO?納米顆?？赡軙?huì)發(fā)生團(tuán)聚，形成較大的顆粒，降低了其與g-C?N?的接觸面積，不利于光生載流子的傳輸和分離。熱解法對(duì)溫度和氣氛等條件的控制要求較高，如果控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和性能不穩(wěn)定。在不同的煅燒溫度下，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光催化性能會(huì)有明顯差異，溫度波動(dòng)可能會(huì)使異質(zhì)結(jié)的結(jié)晶度和界面結(jié)合情況發(fā)生變化，進(jìn)而影響其光催化活性。2.5不同制備方法對(duì)比與選擇在二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的制備過(guò)程中，不同的制備方法各有優(yōu)劣，從工藝復(fù)雜度、成本、異質(zhì)結(jié)質(zhì)量等方面進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于選擇合適的制備方法具有重要意義。模板法的工藝復(fù)雜度較高，以制備TiO?納米孔陣列結(jié)構(gòu)光電極為例，需要先制備陽(yáng)極氧化鋁（AAO）模板，此過(guò)程涉及到陽(yáng)極氧化等復(fù)雜步驟，對(duì)電解液的組成、濃度、溫度、電壓等參數(shù)要求嚴(yán)格，且制備周期較長(zhǎng)。在成本方面，不僅AAO模板的制備成本較高，而且在后續(xù)的反應(yīng)過(guò)程中，需要使用較為昂貴的化學(xué)試劑，進(jìn)一步增加了成本。然而，模板法制備的異質(zhì)結(jié)質(zhì)量較高，能夠精確控制異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和形貌，如通過(guò)AAO模板制備的TiO?納米孔陣列具有高度有序的結(jié)構(gòu)，孔徑和孔間距均勻，比表面積大，這為負(fù)載二維材料提供了良好的基礎(chǔ)，有利于形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面，從而提高異質(zhì)結(jié)的性能。化學(xué)氣相沉積法（CVD）的工藝復(fù)雜度也較高，在制備MoSe?薄膜及MoSe?異質(zhì)結(jié)時(shí)，需要精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量和沉積時(shí)間等參數(shù)，對(duì)設(shè)備的要求也較高，設(shè)備成本昂貴。此外，CVD法通常需要在高溫和真空環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)，這增加了能耗和操作難度，導(dǎo)致制備成本較高。但是，該方法能夠制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，通過(guò)精確控制反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)二維材料在氧化物半導(dǎo)體表面的均勻生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面，使得異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)異的光電性能和穩(wěn)定性。溶膠-凝膠法的工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單，以制備g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)材料為例，主要步驟包括前驅(qū)體的水解、縮聚反應(yīng)，以及后續(xù)的陳化、干燥和熱處理等，操作過(guò)程相對(duì)容易掌握。成本方面，溶膠-凝膠法所使用的前驅(qū)體大多為金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽，價(jià)格相對(duì)較為低廉，且反應(yīng)在液相中進(jìn)行，不需要特殊的高溫和真空設(shè)備，能耗較低，因此整體成本較低。在異質(zhì)結(jié)質(zhì)量方面，該方法能夠在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)材料的合成，有效避免了高溫過(guò)程中可能出現(xiàn)的元素?fù)]發(fā)、相分離等問(wèn)題，從而保持材料的高純度和均勻性，制備出的異質(zhì)結(jié)具有良好的光催化性能。熱解法的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，在制備g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)材料時(shí)，只需將原料混合后在高溫爐中進(jìn)行煅燒即可，操作步驟較少。成本方面，熱解法不需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，原料成本也相對(duì)較低，因此整體成本較低。不過(guò)，熱解法在制備過(guò)程中，高溫煅燒可能會(huì)導(dǎo)致材料的團(tuán)聚現(xiàn)象，使得材料的比表面積減小，活性位點(diǎn)減少，從而影響異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量和性能。熱解法對(duì)溫度和氣氛等條件的控制要求較高，如果控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和性能不穩(wěn)定。綜合考慮以上因素，在選擇制備方法時(shí)，需要根據(jù)具體的研究目的和應(yīng)用需求來(lái)確定。如果追求高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，對(duì)異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和性能要求較高，且對(duì)成本和工藝復(fù)雜度的限制較小，化學(xué)氣相沉積法可能是較為合適的選擇，如在制備高性能的光電器件時(shí)，CVD法能夠制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，滿足器件對(duì)材料性能的嚴(yán)格要求。若希望在較低成本下制備出具有一定性能的異質(zhì)結(jié)，且對(duì)工藝復(fù)雜度要求不高，溶膠-凝膠法或熱解法是不錯(cuò)的選擇。在一些對(duì)成本敏感的大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景中，如環(huán)境治理領(lǐng)域的光催化材料制備，溶膠-凝膠法的低成本和相對(duì)簡(jiǎn)單的工藝使其具有較大的優(yōu)勢(shì)；而熱解法雖然存在一些局限性，但在一些對(duì)材料團(tuán)聚和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求相對(duì)較低的應(yīng)用中，也能發(fā)揮其成本低、工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。模板法由于其工藝復(fù)雜度和成本較高，通常適用于對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和形貌有精確要求的特殊研究和應(yīng)用場(chǎng)景，如制備具有特定納米結(jié)構(gòu)的傳感器時(shí)，模板法能夠精確控制結(jié)構(gòu)，滿足傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的高精度要求。三、二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光電化學(xué)性能研究3.1光吸收性能3.1.1原理分析從能帶結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，二維材料與氧化物半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)后，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。以石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，TiO?是一種寬帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度約為3.2eV，主要吸收紫外光。而石墨烯具有獨(dú)特的零帶隙二維結(jié)構(gòu)，電子在其中具有極高的遷移率。當(dāng)兩者形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于石墨烯的費(fèi)米能級(jí)與TiO?的導(dǎo)帶和價(jià)帶存在能級(jí)差，會(huì)在界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)。這一內(nèi)建電場(chǎng)使得光生載流子在異質(zhì)結(jié)界面處發(fā)生定向遷移，從而改變了材料的光吸收特性。具體而言，石墨烯的引入拓寬了TiO?的光吸收范圍，使其能夠吸收部分可見(jiàn)光，這是因?yàn)槭┑拇嬖诟淖兞薚iO?的電子態(tài)密度分布，使得在可見(jiàn)光能量范圍內(nèi)出現(xiàn)了更多的光吸收躍遷通道。從電子躍遷的角度分析，當(dāng)光照射到異質(zhì)結(jié)上時(shí)，光子的能量被吸收，激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。在二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，由于兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，電子躍遷過(guò)程變得更為復(fù)雜。在MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)中，MoS?的帶隙約為1.2-1.9eV（隨層數(shù)變化），能夠吸收可見(jiàn)光。當(dāng)MoS?吸收光子后，產(chǎn)生的光生電子具有較高的能量，由于MoS?與TiO?之間的能帶匹配，這些光生電子能夠迅速轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上。而TiO?價(jià)帶上的空穴則與MoS?價(jià)帶上的空穴形成濃度梯度，促使空穴從TiO?向MoS?遷移。這種電子和空穴的定向遷移不僅減少了它們的復(fù)合幾率，還使得異質(zhì)結(jié)在更寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)能夠吸收光，提高了光吸收效率。此外，異質(zhì)結(jié)界面處的缺陷和雜質(zhì)也會(huì)對(duì)光吸收產(chǎn)生影響。適當(dāng)?shù)娜毕莺碗s質(zhì)可以作為光生載流子的捕獲中心，延長(zhǎng)載流子的壽命，從而增加光吸收的機(jī)會(huì)。然而，過(guò)多的缺陷和雜質(zhì)則可能導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合中心增加，降低光吸收效率。因此，在制備二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)時(shí)，需要精確控制界面的質(zhì)量，減少有害缺陷和雜質(zhì)的引入，以充分發(fā)揮異質(zhì)結(jié)對(duì)光吸收的增強(qiáng)作用。3.1.2實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析以MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極為例，通過(guò)紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）對(duì)其光吸收性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，圖中展示了純TiO?光電極、不同MoS?負(fù)載量的MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極的UV-VisDRS譜圖。從圖中可以明顯看出，純TiO?光電極在紫外光區(qū)域（波長(zhǎng)小于400nm）有較強(qiáng)的吸收，這是由于TiO?的寬帶隙特性，其吸收邊約為380nm，只能吸收紫外光。而當(dāng)負(fù)載MoS?后，MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極在可見(jiàn)光區(qū)域（400-800nm）的吸收明顯增強(qiáng)，且隨著MoS?負(fù)載量的增加，可見(jiàn)光吸收強(qiáng)度逐漸增大。[此處插入圖1：純TiO?光電極、不同MoS?負(fù)載量的MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極的UV-VisDRS譜圖]進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算了不同樣品的光吸收系數(shù)。根據(jù)Kubelka-Munk公式，光吸收系數(shù)α與漫反射率R之間的關(guān)系為：α=(1-R)2/2R。通過(guò)該公式計(jì)算得到的光吸收系數(shù)結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，純TiO?在可見(jiàn)光區(qū)域的光吸收系數(shù)較低，平均值約為0.12cm?1。而MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極在可見(jiàn)光區(qū)域的光吸收系數(shù)顯著提高，當(dāng)MoS?負(fù)載量為1wt%時(shí)，光吸收系數(shù)平均值達(dá)到0.35cm?1，是純TiO?的近3倍；當(dāng)MoS?負(fù)載量增加到3wt%時(shí)，光吸收系數(shù)平均值進(jìn)一步提高到0.48cm?1。[此處插入表1：純TiO?光電極、不同MoS?負(fù)載量的MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極在可見(jiàn)光區(qū)域的光吸收系數(shù)（單位：cm?1）]這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明，MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)的形成有效地拓寬了光吸收范圍，增強(qiáng)了光吸收性能。這是因?yàn)镸oS?具有合適的帶隙，能夠吸收可見(jiàn)光，與TiO?形成異質(zhì)結(jié)后，實(shí)現(xiàn)了光吸收的協(xié)同作用。MoS?吸收的可見(jiàn)光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子能夠快速轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，從而使異質(zhì)結(jié)在可見(jiàn)光區(qū)域表現(xiàn)出更強(qiáng)的光吸收能力。MoS?的高比表面積和良好的電子傳輸性能，也有助于提高光生載流子的分離和傳輸效率，進(jìn)一步增強(qiáng)了光吸收效果。3.2載流子分離與傳輸性能3.2.1原理分析在二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，載流子的分離與傳輸是光催化和光電化學(xué)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，其原理主要涉及內(nèi)建電場(chǎng)的作用以及材料的能帶結(jié)構(gòu)特性。當(dāng)二維材料與氧化物半導(dǎo)體相互接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩者的費(fèi)米能級(jí)不同，會(huì)導(dǎo)致電荷在界面處發(fā)生轉(zhuǎn)移。以石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，石墨烯具有較高的電子遷移率和零帶隙特性，其費(fèi)米能級(jí)相對(duì)較高；而TiO?是寬帶隙半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)較低。在形成異質(zhì)結(jié)后，電子會(huì)從石墨烯向TiO?轉(zhuǎn)移，使得石墨烯一側(cè)帶正電，TiO?一側(cè)帶負(fù)電，從而在界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)。這個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)的方向從TiO?指向石墨烯，其作用至關(guān)重要。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生載流子的行為發(fā)生了顯著變化。當(dāng)異質(zhì)結(jié)受到光照時(shí)，光子能量被吸收，激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。在沒(méi)有內(nèi)建電場(chǎng)的情況下，光生電子和空穴很容易在熱運(yùn)動(dòng)的作用下發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致光生載流子的壽命較短，無(wú)法充分參與光催化和光電化學(xué)反應(yīng)。而內(nèi)建電場(chǎng)的存在，使得光生電子和空穴受到相反方向的電場(chǎng)力作用。光生電子在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，向TiO?的導(dǎo)帶一側(cè)遷移；光生空穴則向石墨烯的價(jià)帶一側(cè)遷移，從而實(shí)現(xiàn)了光生電子-空穴對(duì)的有效分離。這種分離作用極大地降低了光生載流子的復(fù)合幾率，提高了光生載流子的濃度和壽命，為后續(xù)的光催化和光電化學(xué)過(guò)程提供了更多的活性載流子。從能帶結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，二維材料與氧化物半導(dǎo)體的能帶匹配也對(duì)載流子的分離和傳輸產(chǎn)生重要影響。在MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)中，MoS?的帶隙約為1.2-1.9eV（隨層數(shù)變化），TiO?的帶隙約為3.2eV。當(dāng)兩者形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，MoS?的導(dǎo)帶底比TiO?的導(dǎo)帶底略高，價(jià)帶頂也比TiO?的價(jià)帶頂略高。這種能帶結(jié)構(gòu)使得光生電子更容易從MoS?的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而光生空穴則更容易從TiO?的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到MoS?的價(jià)帶上，從而促進(jìn)了載流子的定向傳輸。這種能帶匹配和內(nèi)建電場(chǎng)的協(xié)同作用，使得二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光催化和光電化學(xué)過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的載流子分離和傳輸性能。3.2.2實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析為了深入研究二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的載流子分離和傳輸性能，采用了多種實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行測(cè)試和分析，其中光電流測(cè)試和熒光光譜測(cè)試是常用且有效的方法。以MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極的光電流測(cè)試為例，實(shí)驗(yàn)裝置通常采用三電極體系，以MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極為工作電極，鉑絲為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極，電解液一般選用含有氧化還原對(duì)的溶液，如Na?SO?溶液。在不同光照強(qiáng)度下進(jìn)行光電流測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，隨著光照強(qiáng)度的增加，MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極的光電流密度逐漸增大。在低光照強(qiáng)度下，光電流密度增長(zhǎng)較為緩慢；當(dāng)光照強(qiáng)度增加到一定程度后，光電流密度呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘凸庹諒?qiáng)度下，產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量較少，且部分光生載流子在傳輸過(guò)程中發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致光電流密度較低。隨著光照強(qiáng)度的增加，產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量增多，內(nèi)建電場(chǎng)能夠更有效地分離光生載流子，促進(jìn)其傳輸，從而使得光電流密度顯著增大。[此處插入圖2：MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極在不同光照強(qiáng)度下的光電流密度曲線]進(jìn)一步對(duì)比純TiO?光電極和MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極的光電流密度，在相同光照強(qiáng)度下，MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光電極的光電流密度明顯高于純TiO?光電極。這充分證明了MoS?與TiO?形成異質(zhì)結(jié)后，有效地促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，減少了光生載流子的復(fù)合，提高了光生載流子的利用率，從而增強(qiáng)了光電流響應(yīng)。熒光光譜測(cè)試也是研究載流子分離和傳輸性能的重要手段。以g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，通過(guò)熒光光譜測(cè)試可以獲得材料的熒光發(fā)射光譜。在熒光測(cè)試中，當(dāng)材料受到激發(fā)光照射時(shí)，光生電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，處于激發(fā)態(tài)的電子在返回基態(tài)的過(guò)程中會(huì)發(fā)射出熒光。如果光生電子和空穴能夠有效地分離并參與到光催化或光電化學(xué)過(guò)程中，那么它們復(fù)合發(fā)射熒光的幾率就會(huì)降低，熒光強(qiáng)度也就會(huì)減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖中展示了純g-C?N?、純TiO?以及g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的熒光光譜?？梢悦黠@看出，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的熒光強(qiáng)度明顯低于純g-C?N?和純TiO?。這表明在g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)中，光生電子和空穴的復(fù)合幾率降低，載流子得到了更有效的分離和傳輸。這是因?yàn)間-C?N?與TiO?形成異質(zhì)結(jié)后，界面處的內(nèi)建電場(chǎng)和能帶匹配協(xié)同作用，促進(jìn)了光生載流子的定向遷移，減少了它們的復(fù)合，使得更多的光生載流子能夠參與到光催化和光電化學(xué)過(guò)程中，從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低。[此處插入圖3：純g-C?N?、純TiO?以及g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的熒光光譜]綜上所述，通過(guò)光電流測(cè)試和熒光光譜測(cè)試等實(shí)驗(yàn)研究，充分證明了二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光生載流子的分離和傳輸性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，這為其在光催化和光電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.3光電轉(zhuǎn)換效率3.3.1原理分析光電轉(zhuǎn)換效率是衡量光電器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它反映了光電器件將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力，其定義為輸出電能與輸入光能的比值。在二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，光電轉(zhuǎn)換效率受到多種因素的綜合影響，其中光生載流子復(fù)合是一個(gè)關(guān)鍵的影響因素。光生載流子復(fù)合是指光生電子和空穴在沒(méi)有參與到光催化或光電化學(xué)反應(yīng)之前，重新結(jié)合并釋放能量的過(guò)程。這種復(fù)合現(xiàn)象會(huì)顯著降低光生載流子的濃度和壽命，從而減少參與光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的有效載流子數(shù)量，進(jìn)而降低光電轉(zhuǎn)換效率。光生載流子復(fù)合主要包括輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合兩種類型。輻射復(fù)合是指光生電子和空穴在復(fù)合時(shí)以發(fā)射光子的形式釋放能量，這種復(fù)合過(guò)程相對(duì)較慢，但其產(chǎn)生的光子可能會(huì)被材料再次吸收，從而增加光生載流子的產(chǎn)生幾率，對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率有一定的積極影響。然而，在實(shí)際的二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，非輻射復(fù)合往往占據(jù)主導(dǎo)地位。非輻射復(fù)合是指光生電子和空穴通過(guò)與材料中的缺陷、雜質(zhì)或晶格振動(dòng)等相互作用，以熱能的形式釋放能量，這種復(fù)合過(guò)程非常迅速，會(huì)大量消耗光生載流子，嚴(yán)重降低光電轉(zhuǎn)換效率。材料中的缺陷和雜質(zhì)是導(dǎo)致非輻射復(fù)合的重要原因之一。在二維材料與氧化物半導(dǎo)體的制備和異質(zhì)結(jié)的形成過(guò)程中，不可避免地會(huì)引入各種缺陷，如點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子等）、線缺陷（位錯(cuò)）和面缺陷（晶界）等。這些缺陷會(huì)在材料的能帶結(jié)構(gòu)中引入額外的能級(jí)，成為光生載流子的捕獲中心。光生電子和空穴一旦被缺陷捕獲，就很容易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致載流子的損失。雜質(zhì)原子的存在也會(huì)影響材料的電學(xué)性質(zhì)，改變光生載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，增加復(fù)合的幾率。在TiO?中引入少量的金屬雜質(zhì)原子，可能會(huì)在TiO?的禁帶中形成雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)會(huì)成為光生載流子的復(fù)合中心，降低光生載流子的壽命，從而影響光電轉(zhuǎn)換效率。此外，光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和遷移率也會(huì)影響復(fù)合幾率。如果光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度較短，它們?cè)跀U(kuò)散過(guò)程中就更容易與缺陷或雜質(zhì)相遇，從而發(fā)生復(fù)合。而遷移率較低則意味著光生載流子在材料中的移動(dòng)速度較慢，在相同的時(shí)間內(nèi)能夠到達(dá)電極參與光電轉(zhuǎn)換的載流子數(shù)量減少，也會(huì)增加復(fù)合的可能性。因此，提高光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和遷移率，有助于減少光生載流子復(fù)合，提高光電轉(zhuǎn)換效率。3.3.2實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析以MoSe?基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池為研究對(duì)象，深入分析其光電轉(zhuǎn)換效率及提升策略。在實(shí)驗(yàn)中，采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備了MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，并對(duì)其光電性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池在模擬太陽(yáng)光照射下，表現(xiàn)出一定的光電轉(zhuǎn)換能力。通過(guò)測(cè)量不同光照強(qiáng)度下的電流-電壓（I-V）曲線，獲得了電池的開(kāi)路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出光電轉(zhuǎn)換效率（η）。在光照強(qiáng)度為100mW/cm2的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓Voc約為0.65V，短路電流密度Jsc為12.5mA/cm2，填充因子FF為0.55，由此計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換效率η約為4.5%。為了進(jìn)一步提升MoSe?基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，研究人員采取了一系列策略。首先，對(duì)MoSe?的生長(zhǎng)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)精確控制CVD法的反應(yīng)溫度、氣體流量和沉積時(shí)間等參數(shù)，減少了MoSe?薄膜中的缺陷和雜質(zhì)，提高了其結(jié)晶質(zhì)量。優(yōu)化后的MoSe?薄膜具有更好的光吸收性能和載流子傳輸性能，使得光生載流子的產(chǎn)生和傳輸效率得到提升。在優(yōu)化MoSe?生長(zhǎng)質(zhì)量后，短路電流密度Jsc提高到了15.0mA/cm2，這是因?yàn)楦哔|(zhì)量的MoSe?薄膜能夠更有效地吸收光，產(chǎn)生更多的光生載流子，并且載流子在薄膜中的傳輸更加順暢，減少了復(fù)合的幾率。其次，對(duì)異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行修飾。采用原子層沉積（ALD）技術(shù)在MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)界面沉積了一層超薄的Al?O?鈍化層，以減少界面態(tài)密度，降低光生載流子在界面處的復(fù)合。Al?O?鈍化層能夠有效地填補(bǔ)界面處的缺陷，改善界面的電學(xué)性能，使得光生電子和空穴能夠更順利地通過(guò)界面，參與光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。經(jīng)過(guò)界面修飾后，填充因子FF提高到了0.62，這是因?yàn)榻缑鎽B(tài)密度的降低減少了光生載流子在界面處的復(fù)合損失，提高了電池的輸出功率。通過(guò)上述優(yōu)化策略，MoSe?/ZnO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提升。在相同的光照條件下，優(yōu)化后的電池光電轉(zhuǎn)換效率η提高到了6.0%，相比優(yōu)化前提高了33%。這表明通過(guò)優(yōu)化MoSe?的生長(zhǎng)質(zhì)量和修飾異質(zhì)結(jié)界面等策略，能夠有效地減少光生載流子復(fù)合，提高光生載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸效率，從而提升MoSe?基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。四、二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光催化性能研究4.1光催化降解有機(jī)污染物4.1.1原理分析光催化降解有機(jī)污染物的原理基于光生載流子與有機(jī)污染物之間的反應(yīng)。當(dāng)二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)受到光照時(shí)，光子能量被吸收，激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。以g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，g-C?N?的帶隙約為2.7eV，能夠吸收可見(jiàn)光，而TiO?的帶隙約為3.2eV，主要吸收紫外光。在異質(zhì)結(jié)中，g-C?N?吸收可見(jiàn)光后，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子，價(jià)帶留下光生空穴；TiO?吸收紫外光也會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。由于g-C?N?和TiO?的能帶結(jié)構(gòu)不同，異質(zhì)結(jié)界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴發(fā)生定向遷移，光生電子從g-C?N?的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而光生空穴則從TiO?的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到g-C?N?的價(jià)帶上，從而實(shí)現(xiàn)了光生電子-空穴對(duì)的有效分離，降低了它們的復(fù)合幾率。分離后的光生電子和空穴具有較強(qiáng)的氧化還原能力，能夠與吸附在異質(zhì)結(jié)表面的有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)。光生電子具有還原性，可以將吸附在材料表面的氧氣分子還原為超氧自由基（?O??），其反應(yīng)方程式為：O?+e?→?O??。超氧自由基（?O??）具有很強(qiáng)的氧化性，能夠攻擊有機(jī)污染物分子，使其逐步分解。光生空穴具有氧化性，能夠直接氧化有機(jī)污染物分子，或者與材料表面吸附的水分子反應(yīng)生成羥基自由基（?OH），反應(yīng)方程式為：H?O+h?→?OH+H?。羥基自由基（?OH）是一種氧化性極強(qiáng)的活性物種，其氧化電位高達(dá)2.8V，幾乎可以氧化所有的有機(jī)污染物，將其分解為二氧化碳、水和其他無(wú)害的小分子物質(zhì)。在光催化降解羅丹明B的過(guò)程中，羅丹明B分子吸附在g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)表面，光生空穴和羥基自由基（?OH）、超氧自由基（?O??）等活性物種會(huì)攻擊羅丹明B分子的共軛結(jié)構(gòu)和發(fā)色基團(tuán)，使其逐步降解。首先，光生空穴會(huì)氧化羅丹明B分子中的氮原子和碳原子，破壞其共軛結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致羅丹明B的顏色逐漸褪去。羥基自由基（?OH）和超氧自由基（?O??）會(huì)進(jìn)一步攻擊降解中間產(chǎn)物，將其分解為更小的分子，最終完全礦化為二氧化碳和水。4.1.2實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析以g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)降解苯酚、羅丹明B等有機(jī)污染物為例，進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中，采用溶膠-凝膠法制備了不同g-C?N?含量的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑。通過(guò)XRD、TEM、XPS等表征手段對(duì)制備的光催化劑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和組成分析，結(jié)果表明，g-C?N?與TiO?成功復(fù)合，形成了良好的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，且g-C?N?均勻地分布在TiO?表面。在光催化降解實(shí)驗(yàn)中，以300W氙燈作為模擬太陽(yáng)光光源，將一定量的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑加入到含有苯酚或羅丹明B的溶液中，在避光條件下攪拌30min，使光催化劑與有機(jī)污染物充分吸附平衡。然后開(kāi)啟光源，每隔一定時(shí)間取少量溶液，通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定溶液中有機(jī)污染物的濃度變化，從而計(jì)算光催化降解率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)對(duì)苯酚和羅丹明B均具有良好的光催化降解效果。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光催化降解效率明顯高于單一的g-C?N?和TiO?。在降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)2h的光照，單一的g-C?N?對(duì)苯酚的降解率僅為25%左右，單一的TiO?對(duì)苯酚的降解率約為35%，而g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)（g-C?N?含量為10wt%）對(duì)苯酚的降解率可達(dá)到70%以上。進(jìn)一步分析影響光催化降解效果的因素，發(fā)現(xiàn)g-C?N?的含量對(duì)光催化性能有顯著影響。隨著g-C?N?含量的增加，光催化降解率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)g-C?N?含量為10wt%時(shí)，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)對(duì)苯酚和羅丹明B的降解率均達(dá)到最大值。這是因?yàn)檫m量的g-C?N?能夠與TiO?形成有效的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光吸收能力，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，從而提高光催化活性。然而，當(dāng)g-C?N?含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致g-C?N?的團(tuán)聚，減少了光催化劑的活性位點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)增加光生載流子的復(fù)合幾率，從而降低光催化性能。光照強(qiáng)度也是影響光催化降解效果的重要因素。隨著光照強(qiáng)度的增加，光生載流子的產(chǎn)生速率加快，光催化降解率也隨之提高。在光照強(qiáng)度為100mW/cm2時(shí)，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)對(duì)羅丹明B的降解率在1h內(nèi)可達(dá)到80%；當(dāng)光照強(qiáng)度增加到200mW/cm2時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)羅丹明B的降解率可提高到90%以上。通過(guò)自由基捕獲實(shí)驗(yàn)和ESR測(cè)試，對(duì)光催化反應(yīng)過(guò)程中的活性物種進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，在g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化降解有機(jī)污染物的過(guò)程中，?OH和?O??是主要的活性物種，這與前面闡述的光催化降解原理相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了光催化反應(yīng)的機(jī)理。4.2水分解制氫4.2.1原理分析水分解制氫的光催化原理基于半導(dǎo)體材料在光照下產(chǎn)生的光生載流子參與水分解反應(yīng)的過(guò)程。當(dāng)二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)受到光照時(shí)，光子的能量被吸收，激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。以MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，TiO?是一種寬帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度約為3.2eV，主要吸收紫外光；MoS?的帶隙約為1.2-1.9eV（隨層數(shù)變化），能夠吸收可見(jiàn)光。在異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)光照能量大于TiO?或MoS?的帶隙時(shí)，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下空穴，從而產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。由于MoS?和TiO?的能帶結(jié)構(gòu)不同，異質(zhì)結(jié)界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴發(fā)生定向遷移。光生電子從MoS?的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而光生空穴則從TiO?的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到MoS?的價(jià)帶上，實(shí)現(xiàn)了光生電子-空穴對(duì)的有效分離，降低了它們的復(fù)合幾率。分離后的光生電子和空穴具有較強(qiáng)的氧化還原能力，能夠參與水分解反應(yīng)。光生電子具有還原性，可以將水中的氫離子（H?）還原為氫氣（H?），其反應(yīng)方程式為：2H?+2e?→H?↑。光生空穴具有氧化性，能夠氧化水分子，將其分解為氧氣（O?）和氫離子（H?），反應(yīng)方程式為：2H?O+4h?→O?↑+4H?。通過(guò)這兩個(gè)半反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了水分解制氫的過(guò)程，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)在氫氣中。此外，異質(zhì)結(jié)的形成還可以拓寬光吸收范圍，提高對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。MoS?能夠吸收可見(jiàn)光，與TiO?形成異質(zhì)結(jié)后，使異質(zhì)結(jié)在可見(jiàn)光區(qū)域也能產(chǎn)生光生載流子，從而增加了水分解反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，提高了光催化制氫的效率。4.2.2實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析以g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)材料水分解制氫實(shí)驗(yàn)為例，深入探究其制氫性能及優(yōu)化方法。在實(shí)驗(yàn)中，采用溶膠-凝膠法制備了不同g-C?N?含量的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑。通過(guò)XRD、TEM、XPS等表征手段對(duì)制備的光催化劑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和組成分析，結(jié)果表明，g-C?N?與TiO?成功復(fù)合，形成了良好的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，且g-C?N?均勻地分布在TiO?表面。在光解水產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中，搭建了光解水裝置，以300W氙燈作為模擬太陽(yáng)光光源，將一定量的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑加入到含有犧牲劑（如甲醇）的水溶液中。犧牲劑的作用是消耗光生空穴，抑制光生電子和空穴的復(fù)合，從而提高光生電子參與水還原反應(yīng)的效率。通過(guò)氣相色譜檢測(cè)產(chǎn)生的氫氣量，計(jì)算光解水產(chǎn)氫活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出良好的光解水產(chǎn)氫性能。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光解水產(chǎn)氫活性明顯高于單一的g-C?N?和TiO?。在光照6h后，單一的g-C?N?的產(chǎn)氫量?jī)H為50μmol，單一的TiO?的產(chǎn)氫量約為80μmol，而g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)（g-C?N?含量為15wt%）的產(chǎn)氫量可達(dá)到200μmol以上。進(jìn)一步分析影響光解水產(chǎn)氫性能的因素，發(fā)現(xiàn)g-C?N?的含量對(duì)光催化產(chǎn)氫活性有顯著影響。隨著g-C?N?含量的增加，光解水產(chǎn)氫活性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)g-C?N?含量為15wt%時(shí)，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光解水產(chǎn)氫活性達(dá)到最大值。這是因?yàn)檫m量的g-C?N?能夠與TiO?形成有效的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光吸收能力，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，從而提高光解水產(chǎn)氫活性。然而，當(dāng)g-C?N?含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致g-C?N?的團(tuán)聚，減少了光催化劑的活性位點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)增加光生載流子的復(fù)合幾率，從而降低光解水產(chǎn)氫性能。光照強(qiáng)度也是影響光解水產(chǎn)氫性能的重要因素。隨著光照強(qiáng)度的增加，光生載流子的產(chǎn)生速率加快，光解水產(chǎn)氫活性也隨之提高。在光照強(qiáng)度為100mW/cm2時(shí)，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的產(chǎn)氫速率為30μmol/h；當(dāng)光照強(qiáng)度增加到200mW/cm2時(shí)，產(chǎn)氫速率可提高到50μmol/h以上。為了進(jìn)一步優(yōu)化g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光解水產(chǎn)氫性能，研究人員嘗試對(duì)其進(jìn)行表面修飾。采用貴金屬沉積的方法，在g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)表面負(fù)載少量的Pt納米顆粒。Pt作為助催化劑，能夠降低氫氣析出的過(guò)電位，提高光生電子還原氫離子的效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)載Pt后的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光解水產(chǎn)氫活性得到了顯著提升。在相同的光照條件下，負(fù)載Pt后的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的產(chǎn)氫量比未負(fù)載Pt時(shí)提高了約50%。4.3影響光催化性能的因素4.3.1異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)構(gòu)和晶格匹配度對(duì)光催化性能有著至關(guān)重要的影響。從界面結(jié)構(gòu)來(lái)看，良好的界面接觸能夠促進(jìn)光生載流子在二維材料與氧化物半導(dǎo)體之間的高效傳輸。以石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，若界面處存在較多的缺陷或雜質(zhì)，會(huì)形成載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致光生電子和空穴在界面處大量復(fù)合，降低光生載流子的濃度和壽命，從而嚴(yán)重影響光催化性能。相反，當(dāng)界面結(jié)構(gòu)平整、缺陷較少時(shí)，光生載流子能夠順利地在界面處轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)高效的分離和傳輸。研究表明，通過(guò)優(yōu)化制備工藝，如采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）在TiO?表面生長(zhǎng)高質(zhì)量的石墨烯，能夠減少界面缺陷，使光生載流子的復(fù)合幾率降低約30%，從而顯著提高光催化活性。晶格匹配度也是影響光催化性能的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)二維材料與氧化物半導(dǎo)體的晶格匹配度較高時(shí)，異質(zhì)結(jié)界面處的應(yīng)力較小，有利于光生載流子的傳輸。在MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)中，MoS?和TiO?的晶格參數(shù)存在一定差異，如果晶格匹配度不佳，界面處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)影響材料的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致能帶彎曲，增加光生載流子的散射幾率，阻礙光生載流子的傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MoS?和TiO?的晶格匹配度達(dá)到一定程度時(shí)，光生載流子的遷移率可提高約50%，從而增強(qiáng)光催化性能。通過(guò)選擇合適的制備方法和工藝參數(shù)，如在制備過(guò)程中精確控制溫度和壓力等條件，可以調(diào)整材料的晶格結(jié)構(gòu)，提高晶格匹配度，進(jìn)而優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的光催化性能。4.3.2材料組成二維材料和氧化物半導(dǎo)體的種類、比例等對(duì)光催化性能起著決定性作用。不同種類的二維材料和氧化物半導(dǎo)體具有各自獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)會(huì)直接影響異質(zhì)結(jié)的光催化性能。以常見(jiàn)的二維材料石墨烯、MoS?和氧化物半導(dǎo)體TiO?、ZnO為例，石墨烯具有優(yōu)異的電子遷移率和高導(dǎo)電性，能夠快速傳輸光生電子，與TiO?復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)后，可顯著提高光生載流子的分離效率，從而增強(qiáng)光催化活性。MoS?具有合適的帶隙，能夠吸收可見(jiàn)光，與ZnO形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，可拓寬光吸收范圍，使異質(zhì)結(jié)在可見(jiàn)光區(qū)域也能產(chǎn)生光生載流子，提高對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。材料的比例也是影響光催化性能的重要因素。在g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)中，g-C?N?與TiO?的比例對(duì)光催化活性有顯著影響。當(dāng)g-C?N?含量較低時(shí)，異質(zhì)結(jié)的光吸收能力較弱，光生載流子的產(chǎn)生數(shù)量有限，導(dǎo)致光催化性能較低；隨著g-C?N?含量的增加，光吸收能力增強(qiáng)，光生載流子的產(chǎn)生數(shù)量增多，光催化活性逐漸提高。然而，當(dāng)g-C?N?含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致g-C?N?的團(tuán)聚，減少了光催化劑的活性位點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)增加光生載流子的復(fù)合幾率，從而降低光催化性能。研究表明，當(dāng)g-C?N?與TiO?的質(zhì)量比為1:3時(shí)，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率達(dá)到最大值，相比單一的g-C?N?和TiO?，降解率分別提高了約40%和30%。4.3.3制備工藝不同制備工藝對(duì)異質(zhì)結(jié)光催化性能的影響顯著，其中溫度、時(shí)間等因素尤為關(guān)鍵。以溶膠-凝膠法制備g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，反應(yīng)溫度對(duì)異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響。在較低溫度下，前驅(qū)體的水解和縮聚反應(yīng)進(jìn)行緩慢，可能導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的形成不完全，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，光催化性能較低。當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，水解和縮聚反應(yīng)速率加快，有利于異質(zhì)結(jié)的形成和晶體的生長(zhǎng)，提高光催化性能。然而，溫度過(guò)高會(huì)使材料發(fā)生團(tuán)聚，比表面積減小，活性位點(diǎn)減少，從而降低光催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度為80℃時(shí)，制備的g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)對(duì)羅丹明B的降解率最高，相比50℃和100℃時(shí)，降解率分別提高了約20%和15%。反應(yīng)時(shí)間也是影響異質(zhì)結(jié)光催化性能的重要因素。在較短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，前驅(qū)體可能無(wú)法充分反應(yīng)，異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)不夠完善，光催化性能較差。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，前驅(qū)體充分反應(yīng)，異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化，光催化性能得到提升。但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致材料的老化和團(tuán)聚，影響光催化性能。在制備MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)時(shí)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為12h時(shí)，異質(zhì)結(jié)的光催化活性最高，對(duì)亞甲基藍(lán)的降解效率比反應(yīng)時(shí)間為6h時(shí)提高了約35%；而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至24h時(shí)，由于MoS?的團(tuán)聚，降解效率反而下降了約10%。不同制備工藝的選擇也會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)光催化性能產(chǎn)生影響?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）能夠制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，界面質(zhì)量高，光生載流子傳輸效率高，但設(shè)備昂貴，制備成本高；溶膠-凝膠法制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但可能會(huì)引入雜質(zhì)，影響異質(zhì)結(jié)的性能。因此，在實(shí)際制備過(guò)程中，需要根據(jù)具體需求和條件，綜合考慮各種制備工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的制備工藝，并優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲得高性能的二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光催化劑。五、二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用前景5.1在光電器件中的應(yīng)用5.1.1太陽(yáng)能電池二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其核心在于能夠顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。從原理上看，這種效率的提升主要源于多個(gè)方面。首先，二維材料獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，與氧化物半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)后，能夠有效拓寬光吸收范圍。以石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池為例，TiO?作為一種常見(jiàn)的氧化物半導(dǎo)體，其禁帶寬度約為3.2eV，主要吸收紫外光，對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力較弱。而石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高載流子遷移率，且其零帶隙的特性使其能夠與TiO?形成獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩者復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，石墨烯能夠吸收部分可見(jiàn)光，并將光生載流子快速傳輸至TiO?，從而拓寬了太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收范圍，提高了對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。研究表明，在石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中，其對(duì)可見(jiàn)光的吸收范圍相比單一TiO?太陽(yáng)能電池拓寬了約20%，這使得更多的太陽(yáng)能能夠被捕獲并轉(zhuǎn)化為電能。異質(zhì)結(jié)界面處形成的內(nèi)建電場(chǎng)在提高光電轉(zhuǎn)換效率中也起著關(guān)鍵作用。在MoS?/ZnO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中，MoS?和ZnO的費(fèi)米能級(jí)不同，當(dāng)它們接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，電子會(huì)從費(fèi)米能級(jí)較高的MoS?向ZnO轉(zhuǎn)移，在界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)。這個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)能夠有效地分離光生電子-空穴對(duì)，使光生電子向ZnO的導(dǎo)帶遷移，光生空穴向MoS?的價(jià)帶遷移，從而減少了光生載流子的復(fù)合幾率，提高了載流子的利用率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，MoS?/ZnO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光生載流子復(fù)合率相比單一材料降低了約30%，從而顯著提高了光電轉(zhuǎn)換效率，其短路電流密度相比單一ZnO太陽(yáng)能電池提高了約40%。二維材料還能夠改善氧化物半導(dǎo)體的載流子傳輸性能。在黑磷/ZnO異質(zhì)結(jié)中，黑磷具有較高的載流子遷移率，能夠?yàn)楣馍d流子提供快速傳輸?shù)耐ǖ?。?dāng)光照射到異質(zhì)結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生的光生載流子能夠迅速通過(guò)黑磷傳輸?shù)诫姌O，減少了載流子在傳輸過(guò)程中的損失，提高了太陽(yáng)能電池的輸出電流和電壓。研究發(fā)現(xiàn)，黑磷/ZnO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的填充因子相比單一ZnO太陽(yáng)能電池提高了約25%，進(jìn)一步證明了二維材料對(duì)載流子傳輸性能的改善作用，從而有效提高了光電轉(zhuǎn)換效率。5.1.2光探測(cè)器二維材料/氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光探測(cè)器中的應(yīng)用原理基于其獨(dú)特的光電特性和界面效應(yīng)，能夠有效提高光譜響應(yīng)范圍和靈敏度。從提高光譜響應(yīng)范圍的角度來(lái)看，不同的二維材料和氧化物半導(dǎo)體具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收特性，當(dāng)它們形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)光吸收的互補(bǔ)和協(xié)同作用。以石墨烯/ZnO異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器為例，ZnO是一種寬帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度約為3.37eV，主要吸收紫外光，在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域的響應(yīng)較弱。而石墨烯具有零帶隙的特性，能夠在寬光譜范圍內(nèi)吸收光，且其載流子遷移率極高。當(dāng)石墨烯與ZnO形成異質(zhì)結(jié)后，石墨烯能夠吸收可見(jiàn)光和紅外光，并將光生載流子快速傳輸至ZnO，從而使異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器在紫外、可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域都能產(chǎn)生響應(yīng)，大大拓寬了光譜響應(yīng)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯/ZnO異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍從單一ZnO光探測(cè)器的紫外光區(qū)域（200-400nm）拓寬到了200-1000nm，涵蓋了紫外、可見(jiàn)光和部分紅外光區(qū)域。在提高靈敏度方面，異質(zhì)結(jié)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)和二維材料的高載流子遷移率起到了關(guān)鍵作用。在MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器中，MoS?和TiO?形成異質(zhì)結(jié)后，界面處會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光照射到異質(zhì)結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下迅速分離，光生電子向TiO?的導(dǎo)帶遷移，光生空穴向MoS?的價(jià)帶遷移。MoS?具有較高的載流子遷移率，能夠快速傳輸光生空穴，減少了載流子的復(fù)合幾率，從而提高了光生載流子的濃度和壽命。這些光生載流子在外部電路中形成光電流，由于光生載流子濃度和壽命的增加，光電流強(qiáng)度增大，使得光探測(cè)器的靈敏度顯著提高。研究數(shù)據(jù)顯示，MoS?/TiO?異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器的靈敏度相比單一TiO?光探測(cè)器提高了約5倍，能夠更靈敏地檢測(cè)到微弱的光信號(hào)。此外，二維材料的高比表面積也為光探測(cè)器提供了更多的光吸收和載流子產(chǎn)生位點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了光探測(cè)器的性