能带，逐一展示、Mott-Schottky、XPS价带谱、PL与DFT、COHP等实验-计算手段掺杂异质结能带结构晶体在自由空间中，电子能量与动量呈连续的平方关系，但在原子规则排列的晶体中，电子会受到周期性势场的影响，能量不再连续取值，而是被限制在一系列允许的能量区间内，这些区间就是 “能带”。
。
g-C3N4 的结构与能带工程调控策略。价带（Valence Band）：
光激发或能量注入后，价带电子会跃迁至导带，同时在价带中留下带正电的 “空穴”（h⁺），空穴的移动是 p 型导电的核心机制。
能量高于价带的空能带（热力学平衡下），电子跃迁至此处后摆脱化学键束缚，可在晶体中自由移动，是导电与还原反应的核心载体。
DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108033
价带顶（VBM）与导带底（CBM）之间的能量空白区，电子无法在此处存在，其宽度（单位：eV）是区分材料类型的关键。
禁带宽度半导体的禁带宽度（Eg，即 “吸收边”，单位：nm）满足：
光子能量（Eₕᵥ = hc/λ，h 为普朗克常数，c 为光速）需≥E₉，代入 h=6.626×10⁻³⁴ J・s、c=3×10⁸ m/s，换算单位后可得此简化公式。
通过测量材料的吸收边 λ，可直接计算 E例如：吸收边为 460 nm 的材料，其 Eg10.1002/cey2.596
2. 能带电位与 pH 的关系（能斯特方程）
参数说明：物理意义：例如：pH=0 时 CBM 为 – 1.33 V 的材料，在 pH=7 时 CBM 变为 – 1.74 V，还原能力显著增强。
3. 能带边电位的推导公式
，可测）后，可推导 CBM 与 VBM：
低温下 kT/q≈0.026 V，可近似认为 ECBM结合禁带宽度 Eg物理意义：与E即可间接获取完整的能带边电位数据，是实验中常用的定量方法。
如何分析能带？
要精准获取材料的能带参数（Eg、CBM、VBM）并理解其调控机制，需结合实验表征与理论计算，两者互为补充。
1. 实验表征：直接测量能带参数
紫外可见漫反射光谱（DRS）+ Tauc 图
核心用途：测定禁带宽度 Eg
原理简述：材料对不同波长光子的吸收强度与电子跃迁能量相关，只有光子能量≥E₉时，价带电子才能跃迁至导带，表现为吸收强度的显著上升（吸收边）。通过 DRS 获取吸收曲线后，结合 Tauc 关系可定量计算 Eg。
应用案例：纯 g-C₃N₄的 DRS 曲线显示吸收边约 460 nm，Tauc 图线性外推得Eg=2.77 eV；C/O 共掺杂后，吸收边红移至 550 nm，E₉降至 2.57 eV，直接证实掺杂对禁带宽度的调控效果。
理论计算可突破实验表征的局限，从电子轨道、层面解析能带形成与调控机制，其中密度泛函理论（DFT）是最成熟、应用最广泛的工具，常用软件包括 VASP、Gaussian、CASTEP 等。
能带结构计算
优化材料晶体结构（晶格常数、键长、层间距）后，求解薛定谔方程得到 E-k 关系（能带图）与态密度（DOS），、CBM/VBM 位置，以及价带 / 导带的电子轨道构成核心功能：直观展示电子的转移方向、聚集区域与转移量10.1002/cey2.596
反应能垒计算
结合能带参数，计算目标反应（如 O₂→H₂O₂、H₂O→・OH）的吉布斯自由能变化（ΔG）与反应能垒（Ea），、提升热力学可行性。
下图为Ni 单原子掺杂 g-C₃N₄的 DFT 计算，结果显示，O₂还原为 H₂O₂的反应能垒从纯相的 0.99 eV 降至 0.35 eV，原因是 Ni 3d 轨道与 O 2p 轨道强耦合，使 CBM 电位从 – 1.33 V 降至 – 1.53 V，增强了电子向 O₂的转移能力，降低了・OOH 中间态的形成能垒。
；同时，异质原子的电负性差异会。
金属掺杂：金属离子的 d 轨道可与主体的价带 / 导带轨道耦合，不仅缩小 Eg提升载流子分离效率10.1002/cey2.596
上图为非金属（C/O）共掺杂对 g-C3能带与光吸收的调控，通过前驱体改性实现 C/O 共掺杂，UV-Vis DRS 显示Eg将两种或多种半导体复合，通过 “能带对齐” 实现性能提升，常见类型包括：
两种半导体的导带 / 价带呈交错分布，电子与空穴分别转移至不同半导体的导带 / 价带，实现空间分离（抑制复合）；
两种半导体的导带 / 价带部分重叠，仅低能量的电子 – 空穴对复合，保留高能量的电子（强还原）与空穴（强氧化），同时抑制复合；
半导体与金属（或金属碳化物）复合，金属的费米能级低于半导体的 CBM，电子从半导体转移至金属后被 “捕获”，无法回流（显著提升载流子分离效率）。
案例解析：N的 VBM能量相近，光激发后两者的低能量电子-空穴对复合，保留 g-C3的 CBM 与 Cd₀.₆Zn₀.₄S 的 VBM，通过能带对齐实现了性能提升。
形态与缺陷调控
表现为 Eg形态控制对 g-C3能带与反应路径的影响。10.1002/cey2.596
总结
对光催化、电子器件等领域而言，能带工程仍是未来材料开发的核心方向。通过更精准的分子设计、更精细的界面调控，有望实现能带参数的按需定制，推动更多高性能材料从实验室走向工业化应用。