7月27日消息，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、甬江实验室等科研团队，在二维材料领域取得重大突破，首次成功合成出兼具半导体特性和铁磁性的新型二维材料——镧系MXene材料。相关成果已于7月22日在线发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature）。

MXene是一类二维层状过渡金属碳氮化物，因其优异的导电性和可调表面化学性质，在储能、电磁防护、催化、传感等领域具有广阔应用前景。然而，MXene材料主要基于钛、钒、铌等前过渡金属，几乎均表现为金属导电行为，难以同时具备半导体能带结构和磁有序性，这极大限制了其在电子器件和自旋电子学等方向的拓展。

针对这一难题，研究团队基于此前提出的“化学剪刀”亚层编辑策略，开创性地发展出一条全新合成路径。团队发现，镧系元素单卤化物具有特殊的层状结构，与MXene去除碳原子层后的亚层结构高度相似。利用这一特性，团队通过原子尺度的精准“拼装”，实现了特定原子层的敲除、置换或重构。

亚层编辑构筑MXene材料过程示意图  图源：中科院宁波材料技术与工程研究所

在具体合成过程中，团队设计了两步温和反应：第一步，将镧系金属与卤化铜反应，原位制得单卤化物中间体；第二步，中间体与石墨粉在高温下反应。此时，中间体层间的局域化电子将石墨中的碳原子还原为四价碳阴离子（C4-）。随着电子转移，层间结合力减弱，带负电的碳阴离子顺势插入两层金属之间，精准占据八面体空位，最终形成具有T-Ln-C-Ln-T堆叠序列的全新MXene晶体结构。

通过调整反应条件，研究团队成功制备了镧系元素为钆、铽、镝、钬、铒、镥，卤素端基为氯或溴的六种新型MXene材料。测试结果表明，新材料的光学带隙在1.26至1.71电子伏特之间，呈现明显的半导体行为；同时，在2K极低温下具有明显的磁滞回线，证明其具备铁磁有序性质。理论计算进一步揭示，层间碳骨架和表面卤素端基共同作用打开了半导体带隙，而局域化程度高的4f电子则作为磁矩的主要来源。

研究团队表示，兼具半导体性和铁磁性的二维材料是自旋电子学长期瞄准的目标材料，在低功耗逻辑器件、高频通信、磁传感器乃至量子计算等领域蕴藏巨大潜力。此外，该“化学剪刀”合成策略具有普适性，未来有望推广至其他过渡金属体系，为丰富二维材料家族、探索新型多功能材料打开一扇全新大门。