7 月 26 日消息，中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進核能材料實驗室聯合浙江大學、甬江實驗室等相關科研團隊在二維 MXene 材料領域取得突破性進展，首次成功合成出鑭系 MXene 材料。

該材料同時表現出半導體特性和鐵磁性，突破了傳統前過渡金屬 MXene 僅具金屬導電性的局限。相關成果 7 月 22 日在線發表于國際學術期刊《自然》。

MXene 是一類二維層狀過渡金屬碳氮化物，因其優異的導電性和可調表面化學性質，在儲能、電磁防護、催化、傳感等領域具有廣泛應用前景。然而，迄今報道的 MXene 材料主要基于前過渡金屬（如鈦、釩、鈮等），它們多為金屬導電行為，難以同時具備半導體能帶結構和磁有序性。這限制了 MXene 在電子器件、自旋電子學等方向上的進一步拓展。

研究團隊發現，鑭系元素單鹵化物具有特殊的層狀結構，與 MXene 去除碳原子層后的亞層結構相似。基于此前提出的“化學剪刀”亞層編輯策略，他們發展了一條新的合成路徑 —— 利用層狀化合物中亞層化學性質的差異，實現特定原子層的敲除、置換或重構，這好比用原子尺度的樂高積木，按設計圖重新拼裝。

▲ 鑭系 MXene 的合成過程示意圖

團隊設計了兩步溫和反應。第一步，將鑭系金屬與鹵化銅反應，原位制得所需的單鹵化物中間體。第二步，中間體與石墨粉反應，在高溫下“共舞”。此時，中間體層間的局域化電子主動“奉獻”自己，將石墨中的碳原子還原為四價碳陰離子（C4-）。失去電子后，原本由電子維系的層間結合力減弱，帶負電的碳陰離子順勢插入兩層金屬之間，精準占據八面體空位，最終形成具有 T-Ln-C-Ln-T 堆疊序列的全新 MXene 晶體結構。

測試結果表明，新材料同時解鎖了半導體和鐵磁兩大屬性。這類二維材料是自旋電子學長期瞄準的目標材料，在低功耗邏輯器件、高頻通信、磁傳感器乃至量子計算領域都蘊藏巨大潛力。該合成策略具有普適性，未來有望推廣至其他過渡金屬，為豐富二維材料家族打開一扇全新大門。