揭示铝掺杂钛酸锶模型材料掺杂效应机制

华东理工大学教授杨化桂、副教授刘鹏飞、教授戴升，西北工业大学教授张燮与合作者，从单颗粒尺度揭示了经典铝掺杂钛酸锶（SrTiO3:Al）模型材料掺杂效应的机制，将传统基于平均掺杂浓度与缺陷调控的研究拓展至空间掺杂及局域电子结构调控，为高效颗粒光催化剂的理性设计提供了新的思路。相关研究成果近日发表于《先进材料》。

SrTiO 3:Al单颗粒晶面各向异性掺杂及其内建电场增强机制示意图。研究团队供图 元素掺杂是调控半导体电子结构及光生载流子行为的重要手段。SrTiO3:Al是光催化全解水制氢的代表性模型材料，因其优异的催化性能及明确的晶面氧化还原分工而受到广泛关注。Al掺杂能够抑制Ti3+相关缺陷、降低载流子非辐射复合，并调节晶体生长及晶面暴露。然而，传统研究主要关注平均掺杂浓度、缺陷钝化及晶体形貌，对掺杂元素在单颗粒内部的空间分布及其电子结构效应仍缺乏深入认识。 研究团队采用两步熔盐法制备了具有明确{100}/{111}暴露晶面的SrTiO3:Al单晶颗粒，并在基本保持晶体形貌和尺寸一致的条件下调控Al的引入量。实验观测结果显示，Al的空间分布随名义掺杂量由0.5 mol%增加至4.0 mol%，逐渐由近似各向同性演变为显著的晶面各向异性分布。在4.0 mol%掺杂量条件下，沿{111}方向的Al含量从颗粒表面至内部均高于{100}方向，相同深度下的局域含量差异超过两倍。值得注意的是，颗粒整体Al含量的增长逐渐趋缓，而晶面间掺杂差异却更加显著。 机制研究表明，尽管不同掺杂样品的整体平均能带位置变化有限，但不同晶面的局域电子结构及静电势响应存在差异，价带顶和导带底相关电子态分别倾向于分布在{111}和{100}晶面，Al在{111}晶面呈现出优先掺入的热力学倾向。晶面选择性Al掺杂增强了晶面间的静电不对称性及相关能带弯曲，有利于强化颗粒原有的内建电场，促进光生电子向{100}还原晶面迁移、空穴向{111}氧化晶面富集。 进一步地，研究团队通过选择性光沉积及表面光电压测试验证了增强的定向电荷分离行为，并在BaTiO3单晶颗粒观察到了类似的晶面选择性Al分布现象。