中国科学院宁波材料技术与工程研究所获悉，该所先进核能材料实验室联合浙江大学、甬江实验室等团队，利用“化学剪刀”亚层编辑策略，将镧系元素“嵌入”MXene晶格，首次造出兼具半导体性和铁磁性的新型二维材料——镧系MXene材料。相关成果22日在线发表于国际期刊《自然》。
MXene是一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物材料，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、传感等领域具有广泛应用前景。然而，这些“明星选手”也有短板，它们几乎都是金属导体，既缺乏半导体特有的能带结构，也鲜少拥有磁有序性。这限制了材料在电子器件、自旋电子学等方向的进一步拓展。
研究团队发现，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相似。基于此前提出的“化学剪刀”亚层编辑策略，他们发展了一条新的合成路径——利用层状化合物中亚层化学性质的差异，实现特定原子层的敲除、置换或重构，这好比用原子尺度的乐高积木，按设计图重新拼装。
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，原位制得所需的单卤化物中间体。第二步，中间体与石墨粉反应，在高温下“共舞”。此时，中间体层间的局域化电子主动“奉献”自己，将石墨中的碳原子还原为四价碳阴离子（C4-）。失去电子后，原本由电子维系的层间结合力减弱，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。
测试结果表明，新材料同时解锁了半导体和铁磁两大属性。这类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领域都蕴藏巨大潜力。该合成策略具有普适性，未来有望推广至其他过渡金属，为丰富二维材料家族打开一扇全新大门。
