光解水制氢的复合催化剂设计中晶面重要性示意图
由于半导体的带隙窄，其导电特性很容易发生大的变化，这是半导体具有非凡能力之源。但是如果不能控制其导电性，那么也是无用的。而有效的控制方法就是向半导体掺入微量的“杂质”。
在纯净的本征半导体（如硅）中掺入受主杂质（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，便形成P型半导体。“P”表示正电的意思。在P型半导体中，参与导电的主要是带正电的空穴，这些空穴来自半导体中的“受主”杂质原子。受主杂质原子的最外层有3个价电子，它与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个“空穴”。在室温下这些空穴能吸引邻近硅原子的价电子来填充，使杂质原子成为负离子，同时在硅原子的共价键中产生一个“空穴”。杂质原子中的空穴吸收电子，称受主原子。P型半导体中，空穴为多数载流子，简称多子。电子为少数载流子，简称少子。
长期以来，业界一直利用半导体和金属间的肖特基势垒来提高半导体光生电子-空穴对分离和光催化量子效率；相关的复合结构催化剂设计中，半导体的表面功函是决定势垒能否形成的重要参数之一。针对半导体-金属复合结构的肖特基结设计，中国科学技术大学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室熊宇杰教授课题组，通过与罗毅研究团队的江俊教授和张群副教授在材料设计与合成、理论模拟和先进表征中的“三位一体化”合作，在光解水制氢方面取得重要进展。研究人员通过设计半导体-金属复合结构中的半导体表面晶面，首次实现了半导体的内禀性电荷空间分布和半导体-金属间肖特基势垒驱动的电荷转移的协同，进而获得了性能显著改善的光解水制氢催化剂。
该团队首先通过光沉积实验和理论模拟，揭示了半导体不同晶面的表面功函存在着很大差异，导致光激发的半导体内电子和空穴分别向不同的表面晶面迁移，从而造成具有晶面依赖性的空间电荷分布与分离。基于该发现，研究人员通过调控复合结构中的半导体晶面，得以协同肖特基结界面的电荷转移和半导体中的内禀性空间电荷分布这两个效应，并进而通过超快光谱和动力学表征以及光电流测量，揭示了该设计可使电子-空穴分离效率提高数十倍，设计的复合结构在光催化中展现出显著改善的活性。这项突破性研究进展，有助于加深人们对复合结构材料中电荷行为的认识，也对光解水制氢催化剂的设计具有重要推动作用。