研究发现：三维半导体颗粒具有二维特性，有助于可再生能源技术发展

二维半导体在创建下一代电子产品时有很大的优势，它们速度更快，功能更强，效率更高。但它们的制造难度也大得惊人。在这项研究中，研究人员聚焦于可以吸收光的半导体钒酸铋，然后利用这种能量氧化水分子，从而产生氢气和氧气。

半导体颗粒本身是各向异性的，也就是说，它们有三维表面，充满了相互倾斜的切面。然而，并非所有的切面都是相同的。它们可以有不同的结构，而这些结构又会产生不同的能级和电子特性。

使用高空间分辨率的成像技术，研究员测量了每个面和相邻边缘的光电化学电流和表面反应，然后使用定量数据分析来映射其变化。

研究人员惊讶地发现，三维颗粒实际上可以拥有二维材料的电子特性，这是一个从未设想过的发现。这一发现为研究人员提供了一种“调整”电子特性并为光催化过程制作半导体颗粒的方法。研究人员总结，这项研究可以使减少二氧化碳和生产过氧化氢的可再生能源技术受益。

该研究论文题为"Inter-facet junction effects on particulate photoelectrodes"，于 12 月 24 日发表在《自然·材料》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01161-6

半导体、绝缘体和导体由禁带宽度划分，即导带与价带之间的相对位置决定。

1 导体的导带和价带基本重合，禁带宽度为0，电子由价带进入导带基本无需额外能量，因此内部存在大量自由电子，具有低电阻率。

2 半导体导带和价带距离适中，即禁带宽度适中，因此价带中的电子在常见能量级别的激励下，例如光、热和电压，即可进入导带，导致半导体电阻率变化。

3 绝缘体与半导体类同，但禁带宽度很宽，需要大量能量才能导电，例如高于5000V的高压电，因此电阻率很高。光和热通常无法导致绝缘体导电，绝缘体一般耐热性不高，能导致电子跃迁到导带的温度下，大部分碳基绝缘体已经碳化，其余绝缘体已经熔化或气化。

没有半导体你就提不了这个问了在半导体中杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子（图3）。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色 PN结 P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负电荷在 PN 结两侧的积累，形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。PN结具有单向导电性，半导体整流管就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势，称光生伏打效应，可利用来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。基于PN结,就有了晶体管,才有了集成电路,电子产品中的各种芯片都是集成电路

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