半导体/半导体结被广泛应用于量子点敏化太阳电池、钙钛矿太阳电池、光催化、光电催化等太阳能转换与存储领域。在之前的研究中，通常采用能带排列理论解释其界面电荷传输行为(图1a-b)。然而，根据传统理论计算的太阳电池开路电压低于实验值，且无法解释光催化和光电催化中的若干实验结果。因此，建立半导体/半导体界面电荷传输新理论，有助于理解这些反常实验现象，也对增加光电转化性能和开发新型半导体器件具有非常重要的意义。
图1. (a) II型异质结电子传输理论，(b) Z型异质结电子传输理论，(c) 法拉第结电子离子耦合传输新理论
近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、现代工学院、物理学院的罗文俊副教授/邹志刚院士团队以TiO2/CdS为模型，研究了其界面电荷传输机制，发现了半导体与半导体界面发生了电子离子耦合传输，是一种法拉第结电荷传输机制(图1c)，并通过原位XPS和同位素-飞行时间二次离子质谱实验证明了光生电子和离子的界面转移过程。此外，该团队还发现了法拉第结具有等能电荷传输的新特性，这一特性可以解释传统能带排列理论无法解释的反常实验现象。等能电荷传输类似于赝电容中的充电过程，离子传输起到决定性作用。法拉第结理论除了能解释光电化学固液界面电荷传输之外，还可以用于解释光催化固气界面和太阳电池固固界面的电荷传输行为。
法拉第结新概念是由罗文俊等人在研究半导体/法拉第材料界面电荷传输时首次提出(iScience 2020, 23,100949)，此后该团队一系列研究表明法拉第结电荷传输机制也广泛存在于半导体/溶液、半导体/气体、半导体/固体电解质和金属/溶液等界面(Chem. Sci. 2020, 11, 6297; CCS Chem. 2021, 3, 1670; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1390; Nature Commun. 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-26661-6)。因此，法拉第结是一种描述固体表界面的统一理论。该理论的提出改变了对固体表界面的传统认知，将对物理、化学、材料、电子、能源等学科共同关注的这一交叉领域产生重要影响。
该成果以Faradaic Junction and Isoenergetic Charge Transfer Mechanism on Semiconductor/Semiconductor Interfaces为题于11月4日在Nature Communications在线发表(https://www.nature.com/articles/s41467-021-26661-6 )，审稿人认为该发现打破了人们的固有认知(This finding breaks in the inherent thinking of the public)。南京大学现代工学院2019级硕士生陈明志、2018级博士生董洪政和物理学院2018级博士生薛梦凡为该论文共同第一作者，通讯作者为罗文俊副教授，研究工作得到了邹志刚院士的指导和支持。该成果得到国家重点研发计划(2017YFE0120700, 2018YFE0208500)和国家自然科学基金(21875105, 51972164)等项目的资助。