Heterostrukturen bezeichnen definiert aufgebaute Schicht- oder Verbundsysteme aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien mit scharfen oder wohldefinierten Grenzflächen. Typischerweise handelt es sich um Dünnfilme oder nanoskalige Architekturen, bei denen Zusammensetzung, Dicke und Stapelreihenfolge einzelner Lagen präzise kontrolliert werden. Zentrale Zielgröße ist die gezielte Einstellung von elektronischen, optischen, magnetischen, ferroelektrischen oder mechanischen Eigenschaften, die im Volumenmaterial nicht oder nur eingeschränkt realisierbar sind.

Ein klassisches Beispiel sind Halbleiter-Heterostrukturen, etwa GaAs/AlGaAs- oder p‑n‑Heterostrukturen, in denen Bandlückenversatz und Gitterfehlanpassung genutzt werden, um Bandbiegung, Ladungsträgerkonfinierung (Quantenmulden, 2D‑Elektronengase) oder effiziente Rekombination in Bauelementen wie Laserdioden zu erzeugen. Verwandt sind van‑der‑Waals‑Heterostrukturen aus 2D-Materialien (z. B. Graphen, Übergangsmetall-Dichalkogenide), bei denen interatomare Bindung hauptsächlich durch van‑der‑Waals‑Wechselwirkungen vermittelt wird und nahezu gitterfehlanpassungsfrei gestapelt werden kann.

Darüber hinaus existieren metallische und magnetische Heterostrukturen (Spinventile, Tunnelmagnetowiderstand), ferroelektrische und multiferroische Heterostrukturen (spannungs- oder feldgesteuerte Funktionalität) sowie Metall/Kohlenstoff-Heterostrukturen (z. B. Metall/Graphen-Kontakte). Die Herstellung erfolgt meist mittels epitaktischer oder chemischer Dünnfilmtechniken (MBE, Sputtern, PLD, CVD), wobei Grenzflächenrauhigkeit, Interdiffusion und Defektdichte kritisch für die resultierenden Eigenschaften sind.

Aktuelle Forschung adressiert insbesondere 2D-Heterostrukturen, Janus-Heterostrukturen mit asymmetrischer chemischer Zusammensetzung sowie heterostrukturierte Volumenmaterialien, um neuartige Quantenphänomene, energieeffiziente Elektronik und maßgeschneiderte Photonik zu realisieren.