过去十几年，人工合成的二维材料MXene家族里有一个让人遗憾的空白：所有已知成员都表现出金属导电性，找不到一个天生自带半导体能带结构和磁有序的例子。自旋电子学等前沿领域一直对这类集两者于一身的材料望眼欲穿，但实验室里始终交不出答卷。7月22日，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、甬江实验室等相关团队在《自然》上发表成果，第一次把镧系元素带入MXene的晶体骨架，新合成的二维材料同时检测到半导体特性与铁磁性，直接填上了那块空缺。

MXene本质上是一类二维层状过渡金属碳氮化物，表面化学性质可调，导电性优异，此前在储能、电磁防护、催化、传感等赛道已经展现出可观的应用潜力。不过，这些优势几乎全部建立在前过渡金属（钛、钒、铌等）的基础上，而这些体系无一例外都是金属导电行为——有电流通路，却很难形成受控的能带开关，更谈不上在单层原子面内产生稳定的磁矩。正因如此，MXene在低功耗逻辑器件、高密度磁存储器等需要半导化、磁化的方向上，长期只能当旁观者。

打开网易新闻 查看精彩图片

转机来自一个结构上的类比。研究团队注意到，镧系元素的单卤化物天然拥有特殊的层状排列，当MXene被有选择地剥离掉碳原子层后，剩下的金属亚层排列恰好与前者很相似。这让他们想到此前已经验证过的“化学剪刀”亚层编辑策略——不同亚层之间化学活性有差异，可以像用剪刀一样精准地敲掉某几层、替换某几层，再按设计好的顺序重新堆叠，相当于在原子尺度上搭乐高积木。

基于这一思路，团队设计了一条两步走的温和反应路径。第一步先用镧系金属与卤化铜反应，原位生成所需的单卤化物中间体；第二步将中间体与石墨粉混合加热。高温下，中间体层间原本负责维系结构的局域化电子“主动”离开原位，把石墨中的碳原子还原成四价碳阴离子（C4⁻）。失去电子后层间结合力大幅削弱，这时带负电的碳阴离子顺势插进两层金属原子之间，精准占据八面体空位，最终构筑出一种全新的堆叠序列——T-Ln-C-Ln-T（T代表表面终端，Ln为镧系金属，C为碳层）。这类结构从未在MXene中出现过。

随后的物性测试直接给出了答案：新材料同时表现出半导体能带与铁磁有序。看到这两个标签出现在同一个镧系MXene样品上时，意味着二维材料在自旋电子学中的落地场景被再一次拓宽。论文指出，这类材料先天适合用来制作低功耗逻辑器件、磁传感器和高频通信组件，甚至在量子计算的某些硬件方案中也隐藏着潜在角色。而且，这套以单卤化物中间体和碳原子插入为核心的合成策略并不只对镧系元素有效，理论上可以向其他过渡金属体系平推，为整个二维材料库增添一批此前无法企及的候选成员。

换句话说，这次突破不仅是把一种新的元素塞进MXene框架，更重要的是验证了一把通用钥匙：通过编辑亚层、调控层间电子行为，可以刻意组合出兼具导电、能带和磁性的功能型二维晶体。从只能导电的金属MXene，进化到可以半导化、磁化的镧系MXene，二维材料的“功能刻度表”又多了一格。