在材料科学的世界里，二维材料一直是备受瞩目的“明星”。石墨烯之后，MXene——一类由过渡金属和碳/氮构成的层状化合物，凭借优异的导电性和可调的表面化学性质，在储能、电磁屏蔽、催化、传感等领域大放异彩。

然而，这些“明星选手”也有自己的短板：它们几乎清一色是金属导体，既缺乏半导体特有的能带结构，也鲜少拥有磁有序性。这就像一名运动员，跑得快、跳得高，却唯独不会游泳——遇到需要电子器件和自旋电子学的“水域”，便束手无策。

如今，中国科学院宁波材料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，走出一条前所未有的合成新路，成功将镧系元素“嵌入”MXene晶格，首次造出同时具备半导体特性和铁磁性的新型二维材料。

这项成果于7月22日在线发表于国际顶级期刊《自然》杂志，为二维材料家族添上了一位“全能选手”。

“按需定制”，造出新型二维材料

材料的性能，在很大程度上取决于内部原子的排列方式。

比如，同样由碳元素组成，石墨柔软、金刚石坚硬。看似相同的化学组成，却因原子排列方式不同而呈现出截然不同的性质。

此次编辑合成的镧系MXene材料，正是在原子尺度主动设计、精准调控结构，按需定制而成。

其“传奇剧本”的开始，离不开一种特殊的元素——镧系元素。

镧系元素具有独特的4f电子轨道，这些电子深藏于原子内部，被外层电子层层覆盖，犹如埋在地壳深处的稀有磁矿，虽难以被外界扰动，却也因此牢牢锁住了本征磁矩，这正是铁磁性得以扎根的基石。同时，4f电子并非完全孤立，它们会通过轨道杂化悄悄影响材料的能带结构，为调控电子性质提供了天然杠杆。

理论上，把镧系元素请进MXene的晶格，就像给一辆跑车装上磁悬浮系统，让它既能导电又能“自带磁性”。

但现实中，这条道路荆棘密布。传统MXene的制备依赖从三元层状MAX相中“刻蚀”掉A位元素，然而含镧系的MAX相前驱体极难合成，即便勉强制得，相关元素也会在后续刻蚀过程中被一并溶解，最终产物里根本留不下镧系的影子。

面对这一僵局，宁波材料所团队没有死磕传统路线，而是另辟蹊径，果断亮出他们2023年在《科学》杂志上首次提出的“化学剪刀”层状编辑策略。

这把“剪刀”能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——好比用分子大小的乐高积木，按设计图重新拼装。

借助这一策略，通过调整反应温度和配比，团队成功制备了镧系元素为钆、铽、镝、钬、铒、镥，卤素端基为氯或溴的六种新型MXene材料，实现国际首次精准构筑、“按需定制”。

双重“超能力”，大幅提升运算速度和存储密度

新材料的“神奇”之处，在于它同时解锁了半导体和铁磁两大属性。

光学测试表明，新材料的带隙在1.26至1.71电子伏特之间——这正是半导体的典型特征；电阻率随温度降低而升高，呈现负温度系数，进一步印证了其半导体行为。

磁性测量结果显示，在2开尔文（约零下271摄氏度）的极低温下，新材料具有明显的磁滞回线，居里外斯温度在6至59开尔文之间，证明它们确实拥有铁磁有序。

论文共同第一作者、宁波材料所在读博士生方倩表示，这一突破的意义远不止于实验室，兼具半导体性和铁磁性的二维材料，是自旋电子学长期瞄准的“目标材料”——电子既能通过电荷传输信息，又能利用自旋态存储数据，它为自旋电子学、量子信息等前沿领域提供了全新材料基础，有望大幅提升运算速度和存储密度。

此外，这类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。“更令人兴奋的是，该合成策略具有普适性，未来有望推广至其他过渡金属，为二维材料家族打开一扇全新的大门。”方倩说。

（原文发布于2026年7月24日甬派客户端）

【原文链接】https://ypstatic.cnnb.com.cn/yppage-share/news/share/news_detail?newsId=6a61d3d1e4b0ca2eee8f0dd4&modeType=0