极性定义、分类、量化方法及其物理本质材料催化调控反应路径、电子转移及材料功能“”本质上描述的是，是体系中电荷中心与质量中心不重合或电荷分布不均匀所导致的宏观或微观物理属性。

电偶极矩，其数学定义为：

i第i个粒子的电荷位置矢量极性的形成主要由以下几类微观因素共同驱动：

原子间电负性差异导致的电荷转移；

共价键中电子云密度的空间分布不对称性；

晶格或分子结构的构型非对称性（如非中心对称性）；

外部场（如电场或应力）诱导的电荷重排。

电子态密度DOS电荷密度（CDD）等手段进行可视化和定量刻画。极性不仅是静态结构的属性，还可随体系激发态演化而动态变化。

在理论研究与实验表征中，极性通常被划分为以下几类，以分别刻画不同尺度与维度下的电荷非对称性：

分子极性

源于分子内部电负性差异与几何构型的不对称性，导致电荷分布中心与质量中心不重合，产生。其大小可通过从头算方法获得，单位为Debye。

分子间相互作用、电场响应与取向排列行为键极性键两端原子的电负性差异键极性是理解的基础，尤其在调控中具有重要作用。

晶体极性无反演对称的晶系该极性导致材料表现出特性，可通过Berry phase方法计算或通过非线性光学手段间接探测。晶体极性是性质的根源。

界面极性

体现于不同相接触区域电荷分布的突变或梯度变化，通常源于两相材料电负性、功函数或的差异。

界面偶极、电势台阶或肖特基势垒诱导极性图3. 通过界面极化连续性在超薄BTO中自第一单元层起建立自发极化，体现晶体尺度的极性与结构构型的内在联系。DOI: 10.1038/s41563-023-01674-2

面内面外极性、各向异性极性在现代材料与催化科学中，极性的量化已超越传统电偶极矩计算，向多维度表征方法演进。常用手段如下：

电偶极矩计算

是极性最基本的量化指标，定义为。在从头算框架下（如DFT），通过积分电子密度与离子核坐标可得到偶极矩向量，适用于结构对称性较高、体系尺度较小的模型分析。

电荷密度差图谱（CDD）

是通过比较复合体系与其孤立组分体系的电荷密度，计算差值以揭示电荷重分布区域的空间图像。该图谱，可用于判定键极性、界面极性形成与异质结构中极化行为的空间定位。

电荷密度差（）可视化：CO/H在纯与Mn掺杂FeS表面的吸附诱导得失电子区域空间分布，直观揭示吸附引起的局域极化与界面偶极建立。DOI: 10.1038/s41467-024-54062-y

电子局域函数（ELF）与电荷布居分析（Bader/Mulliken）

是表征电子局域程度的函数，可用于识别键合类型和电子对分布区域，揭示电荷偏移的结构来源。

分析通过电子布居模型量化不同原子的电荷获得或丢失量，从而推导键极性与局域极性分布。二者结合提供了从微观轨道到宏观极性演化的桥梁，是极性调控机制理解的关键工具。

表面势阱扫描（KPFM）与XPS电荷偏移

能在纳米尺度下测量样品表面的局域功函数变化，从而反映，是界面极性与自发极化特征的重要实验探针。

中的化学位移则反映，可间接判定电荷转移与极性场的存在。

非线性光学响应（如二次谐波SHG）

是探测非中心对称性体系中偶极矩振荡行为的重要光学手段，适用于研究材料在激光照射下极化行为的可逆性与非线性响应能力。

晶体极性、自发极化方向以及极性翻转行为图5.在材料与催化方向的研究中，极性作为基本调控变量，在多个核心课题中展现出深远意义：

调控吸附能与反应路径

反应物分子的吸附构型、吸附能大小及其电子态匹配特征极性场对界面区域的电位梯度与能带排列具有直接调控作用，能够。在光催化、电催化及光电转换系统中，极性调控是提高载流子分离效率与界面电荷注入能力的关键策略。

调控能带结构与缺陷态

能带弯曲、带边移动与缺陷能级图6. 界面极性/偶极与能带对齐：比较能级弯曲（ELB）与真空能级平移（VL shift）两种情形。DOI: 10.1038/s41467-022-29702-w

稳定非对称晶相与自发极化态

维持非中心对称构型稳定铁电、自发极化具备极性可调特性的材料可对出快速响应，从而改变其结构或电性状态。该类材料广泛应用于柔性电子、传感器、致动器及多场耦合智能系统，是发展新型可编程材料的关键方向之一。

可编程压电/机电响应材料设计概念：通过有序堆叠与拓扑构型实现全参数可调的应变模态与电–机耦合，展示外场（电/力）诱导极性–形变–功能输出的工程化路径。DOI: 10.1038/s41467-022-34231-7

极性电子结构