中科院团队首次合成兼具半导体特性与铁磁性的镧系MXene材料

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进核能材料实验室联合浙江大学、甬江实验室等多家单位科研团队，在二维MXene材料领域实现重大突破。研究人员首次成功合成兼具半导体特性和铁磁性的新型二维材料——镧系MXene，打破传统MXene材料性能局限，相关研究成果已于7月22日在线发表于国际顶级学术期刊《自然》。

MXene作为一类二维层状过渡金属碳氮化物材料，凭借优良导电能力、可调控表面化学特性，被视作储能器件、电磁防护、催化、传感器等领域极具潜力的功能材料，十余年来持续成为材料科学研究热点。长期以来，全球科研人员制备得到的MXene材料体系，主要基于钛、钒、铌等前过渡金属。这类传统MXene普遍呈现金属导电特征，很难同时具备半导体能带结构与稳定磁有序特性。这一固有短板，极大制约MXene在自旋电子器件、量子信息、微电子芯片等前沿方向落地应用。如何构筑拥有本征磁性的二维半导体MXene，一直是领域内亟待攻克的关键难题。

镧系元素拥有独特4f电子轨道，电子局域性强，能够提供稳定本征磁矩，同时借助轨道杂化调控材料能带结构，是开发磁性二维材料理想的构筑基元。但是镧系元素化学活性高，采用传统自上而下选择性刻蚀工艺制备MXene时，镧系原子极易在刻蚀过程溶出、流失，难以形成稳定晶格结构。多年来，科学界始终无法将镧系元素整合进MXene骨架，镧系MXene能否稳定存在，也一直存在争议。

面对合成瓶颈，研究团队依托前期建立的“化学剪刀”亚层编辑策略，创新发展自下而上全新合成路线。研究选取层状镧系单卤化物作为范德华构筑单元，通过碳阴离子插层诱导层内原子重构，规避刻蚀工艺带来的元素溶解问题，实现Ln₂CT₂型镧系MXene稳定制备。依托该技术方案，团队成功合成六种镧系MXene材料，覆盖钆、铽、镝、钬、铒、镥多种镧系元素，端基可适配氯、溴两类卤素。结合精密物性表征与第一性原理理论计算证实，全新镧系MXene同时拥有半导体带隙与本征铁磁性，实现性能上的双重突破。

本次研究首次将镧系元素引入MXene晶格，成功打造出二维磁性半导体MXene新体系。在此基础上，研究进一步提炼“亚层化学”创新理念。区别于传统材料改性思路，亚层化学聚焦层状材料内部不同原子亚层之间的相互作用，通过原子插层、重构、置换等方式精准调控层内结构，为定向设计更多未知二维层状材料提供全新方法论。业内专家表示，该思路跳出现有二维材料合成范式，有望催生更多具备新奇光电、磁学特性的新型材料。

二维磁性半导体是下一代低功耗自旋电子器件的核心基础材料。传统半导体器件依靠电荷传输实现信息运算，而自旋器件利用电子自旋状态承载信息，具备功耗更低、响应速度更快、存储密度更高等优势。当前，兼具稳定长程磁有序和合适带隙的二维磁性半导体材料十分稀缺，成为自旋芯片产业化主要阻碍。镧系MXene同时集成半导体输运特性与铁磁有序，完美匹配自旋器件的材料需求，未来可应用于低功耗微电子芯片、高频通信器件、高灵敏度磁传感器、量子信息元器件等场景。

这项成果不仅拓展MXene家族边界，补齐MXene缺少磁性半导体成员的短板，其通用型自下而上合成路线还具备较强可推广性，为开发更多新型层状功能材料打开创新空间。