中国科学院首次合成新型二维材料镧系 MXene，兼具半导体特性和铁磁性

IT之家 7 月 26 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、甬江实验室等相关科研团队在二维 MXene 材料领域取得突破性进展，首次成功合成出镧系 MXene 材料。该材料同时表现出半导体特性和铁磁性，突破了传统前过渡金属 MXene 仅具金属导电性的局限。相关成果 7 月 22 日在线发表于国际学术期刊《自然》。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、传感等领域具有广泛应用前景。然而，迄今报道的 MXene 材料主要基于前过渡金属（如钛、钒、铌等），它们多为金属导电行为，难以同时具备半导体能带结构和磁有序性。这限制了 MXene 在电子器件、自旋电子学等方向上的进一步拓展。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。▲ 镧系 MXene 的合成过程示意图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。IT之家附论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10802-2