自石墨烯问世以来，二维纳米材料因其高比表面积、易操作加工等优异的性能获得广泛地关注。诸多类石墨烯结构相继被合成，并在特定领域展现出良好的应用前景，如硅烯、黑磷、二硫化钼等。2011年，美国Drexel大学Michel Barsoum教授课题组首次通过氢氟酸刻蚀MAX相（M指前过渡金属，A指A族元素，X指碳或氮）的方法，剥离了MAX中结合较弱的A原子层，得到结合紧密的MX片层结构。类比于石墨烯，得到的片层被命名为MXene。由于已知的MAX相已超过70余种，相应的刻蚀产物MXene的种类也将十分丰富。截至目前，在实验中制备出的MXene已经超过15种。此外，由于在酸溶液中刻蚀，MXene表面常被氧、氟、羟基等官能团覆盖。基于丰富的化学元素以及多种表面官能团，不同构型的MXene物理性能差异显著。因此，为了更好的设计和应用MXene材料，对本征物理性能的研究至关重要。基于理论研究，中国科学院宁波材料所在MXene材料物性预测以及机理分析方面作了一系列相关工作。

    为了考察常见官能团氧、氟、羟基对MXene物性的影响，我们首先系统性研究了M₂CT₂（M=Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W; T=O, F, OH）MXene的本征结构、力学强度以及电子能带图。研究表明，对于同一种M金属元素，氧功能化的MXene比对应的含氟或羟基的体系具有更小的摩尔体积，更高的力学强度，以及更多的半导体性成员。大多数M₂CT₂的稳定构型以及力学常数c₁₁如图1所示。通过微观结构分析表明，氧官能团相对于氟和羟基具备更强的得电子能力，与表面金属原子M形成更强的离子键，从而导致上述性能的差异。此外，在半导体型MXene中，Sc₂CT₂(T=F,OH)和M₂CO₂(M=Ti, Zr, Hf)的能带带隙处于0.85~1.8 eV之间，满足于半导体电子器件对材料适中能带带隙的要求。这项工作发表在EPL 111，26007 （2015）期刊上。

图1. (a)和(b)分别是M₂CT₂ MXene的俯视图和侧面图；(c) M₂CT₂ MXene的力学常数； 

　　为了验证具有适中带隙的半导体MXene在电子器件方面的应用，我们考察了Sc₂CT₂(T=F, OH)和M₂CO₂(M=Ti, Zr, Hf)的关键性能载流子迁移率和热导。研究结果表明，Sc₂CF₂和Sc₂C(OH)₂具有较高的电子迁移率，其中Sc₂CF₂锯齿型方向电子迁移率高达5.03×10³ cm²V^-1s^-1,约为目前电子器件材料硅电子迁移率的4倍。此外，电子迁移率呈现较强的各向异性，这主要是由于其导带底电子波函数空间分布所决定，如图2(a)所示。半导体型材料热导主要由晶格热导贡献，Sc₂CF₂的室温热导值（5um尺寸）高达472 Wm^-1K^-1。随着样品尺寸的增大，该热导值仍可进一步提高，如图2(c)所示。相关工作发表在Nanoscale 8, 6110 (2016)。表面氧功能化的M₂CO₂ (M=Ti, Zr, Hf) MXenes体系，都呈现出超高的空穴迁移虑，数值都处于10⁴量级，与实验中报导的Ti₂CO_x载流子迁移率相吻合。热导随着金属原子M原子序数的增加而增加，这主要是由于在同一族中金属原子随着原子序数增大化学活性增强，和表面氧官能团形成更强的化学键。Hf₂CO₂的热导与金属铁接近，而Ti₂CO₂的热导约为21 Wm^-1K^-1。这项工作发表在Scientific Reports 6, 27971 (2016)期刊上。基于以上数据，半导体型MXene有望应用于半导体电子器件材料。