記者23日從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉，該所先進核能材料實驗室聯合浙江大學、甬江實驗室等團隊，利用“化學剪刀”亞層編輯策略，將鑭系元素“嵌入”MXene晶格，首次造出兼具半導體性和鐵磁性的新型二維材料——鑭系MXene材料。相關成果22日在線發表於國際期刊《自然》。

MXene是一類二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物材料，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，這些“明星選手”也有短板，它們幾乎都是金屬導體，既缺乏半導體特有的能帶結構，也鮮少擁有磁有序性。這限制了材料在電子器件、自旋電子學等方向的進一步拓展。

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。基於此前提出的“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。

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，精准佔據八面體空位，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准的目標材料，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。（記者夏凡 通訊員黃莎莎）