Nature: 源自插层卤化物的半导体和磁性镧系MXenes

二维磁性半导体是下一代信息存储与自旋电子器件中的关键材料。MXene凭借其丰富的组成体系和高度可调的物理化学性质，为功能材料的定向设计提供了重要平台。

将镧系元素（Ln）引入MXene结构，不仅能够引入具有强自旋极化特征的局域化4f电子，还有望赋予材料半导体行为，为构筑二维磁性半导体提供一条可行路径。

然而，传统镧系MXene的合成面临显著挑战。

一方面，可用于制备镧系MXene的MAX相前驱体十分稀缺；另一方面，与Mo等常见过渡金属元素相比，镧系元素在氢氟酸等常用刻蚀剂中更容易发生溶解。

因此，利用传统“自上而下”刻蚀方法制备镧系MXene，即Ln₂CT₂，受到严重限制。

为解决这一问题，来自浙江大学的杨洪新、甬江实验室的黄庆等研究者提出了一种具有普适性的“自下而上”合成方法，以层状镧系卤化物作为范德华构筑单元，成功制备了一系列Ln₂CT₂材料，其中Ln包括Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Lu，表面终止基团T为Cl或Br。相关论文以题为“Semiconducting and magnetic lanthanide MXenes from intercalated halides”于2026年07月22日发表在Nature上。

MXene的通式为Mₙ₊₁XₙTₓ，其中，M代表早期过渡金属元素，如Ti、V和Nb；X代表碳或氮；T表示表面终止基团，如–OH、–F和–Cl。

得益于丰富的元素组成以及高度可调的表面化学性质，MXene的电子结构和磁学性能能够得到精确调控，因此被认为是构筑二维磁性半导体极具潜力的材料平台。

尽管MXene在二维磁性半导体领域展现出巨大潜力，但要在实验上获得同时兼具半导体性质和磁性的MXene仍面临较大挑战。

为此，将具有本征磁矩的元素，例如镧系元素（Ln），引入MXene的M位，被认为是赋予MXene半导体特性与磁学功能的一种可行策略。

目前，MXene通常采用“自上而下”的方法制备。该方法以层状MAX相为前驱体，其通式为Mₙ₊₁AXₙ，其中A通常为主族元素。通过含氟酸或熔盐选择性刻蚀MAX相中的A元素层，可保留具有表面终止基团的Mₙ₊₁Xₙ亚层结构，从而获得相应的MXene。

然而，这一传统合成策略受到镧系MAX相前驱体缺失的严重限制。由于目前缺乏M位由镧系元素占据的MAX相，即Lnₙ₊₁AXₙ，因此无法通过常规选择性刻蚀直接合成相应的镧系MXene，即Lnₙ₊₁XₙTₓ。

尽管具有M位固溶结构的i-MAX相，例如（Mo₂/₃Ln₁/₃）₂AlC，为解决这一问题提供了一种潜在途径，但在后续刻蚀过程中，镧系元素通常会不可避免地被同时移除。

最终获得的并非预期的Lnₙ₊₁XₙTₓ，而是具有有序空位结构的Mo₁.₃₃C。

与之相比，“自下而上”合成策略可直接利用化学组分构筑MXene，从而避免选择性刻蚀过程及其可能引入的结构缺陷，为制备新型MXene提供了另一条具有前景的路径。

该方法的有效性已通过多种技术得到验证。例如，采用化学气相沉积（chemical vapour deposition，CVD）方法已经成功制备出Ti₂CCl₂，以及此前尚未报道的Ti₂NCl₂和Zr₂CCl₂。此外，固相合成方法也已被用于制备稀土碳化物卤化物。

然而，尽管相关研究已经取得一定进展，在这些“自下而上”合成过程中，无论是CVD还是固相反应，原子究竟如何有序组装并形成层状MXene结构，其基本机制目前仍不清楚。

在本文中，研究者提出了一种“自下而上”的合成方法，以层状镧系一卤化物LnT作为范德华构筑单元，成功制备了一系列Ln₂CT₂材料，其中Ln包括Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Lu，表面终止元素T为Cl或Br。

该方法绕过了传统选择性刻蚀工艺的局限，使镧系元素能够稳定地引入MXene骨架之中。所获得的Ln₂CT₂材料表现出可由镧系元素种类及表面终止基团共同调控的半导体和磁学性质。

所获得的多层Ln₂CT₂表现出可通过组成调控的光学、电学和磁学性质。

其光学吸收起始能覆盖1.26–1.71 eV；室温电阻率分布在0.329–36.1 Ω·cm范围内，并呈现负温度系数，即电阻率随温度升高而降低，体现出典型的半导体输运特征。

在2 K低温下，这些材料均表现出明显的铁磁滞回行为，同时其居里–外斯温度为正，分布在6–59 K之间，进一步表明体系中存在铁磁相互作用。

理论计算表明，在未进行表面终止的Ln₂C中，费米能级附近的d电子态已明显减少；引入表面终止基团后，这些d电子态被进一步耗尽，从而促使材料打开带隙并形成半导体特征。

与此同时，Ln₂CT₂中的4f电子具有高度局域化特性，其能级远离费米能级，但能够通过诱导自旋分裂，对实验观察到的铁磁行为作出重要贡献。

这一研究不仅拓展了MXene材料的组成空间，而且为在同一二维材料体系中集成电子输运与磁学功能提供了新的实现路径，为开发兼具半导体特性和磁响应的新型二维自旋电子材料奠定了基础。

图1 Ln2CT2的合成工艺示意图。

图2 Er2CCl2的结构和形态表征。

图3 多层Ln2CT2粉末（Ln = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Lu; T = Cl, Br）的光学和磁性表征。

图4 计算所得Ln2CCl2(Ln = Gd, Tb, Lu)的电子结构。

综上所述，本研究建立了一条具有普适性的Ln₂CT₂型MXene“自下而上”合成路线，即通过向具有范德华层状结构的镧系卤化物中插入碳原子，构筑相应的镧系MXene。

该策略突破了传统选择性刻蚀方法在前驱体组成和元素稳定性方面的限制，使得一些难以通过常规“自上而下”路线获得的MXene组成成为可能。

所制备的多层Ln₂CT₂表现出可系统调控的光学、电学和磁学性质，这些性能可通过改变镧系元素种类以及表面终止基团进行调节。

第一性原理计算表明，Ln₂CT₂带隙的形成主要源于插层碳原子和表面终止基团对电子的有效抽取作用。

该过程重新分布了费米能级附近的Ln d电子态，并促使材料打开带隙，从而形成半导体特征。

与此同时，高度局域化的4f电子主导了体系中的自旋分裂，并构成实验所观察到铁磁行为的电子结构基础。

由此，实验结果与理论计算共同建立了一套相互一致的物理图景，用于解释Ln₂CT₂中半导体性质与铁磁性的共存机制。

总体而言，Ln₂CT₂兼具可调电子结构和磁学响应，展现出作为新型二维功能材料平台的潜力。

本研究不仅拓展了MXene的组成与合成空间，也为未来设计和开发二维自旋电子器件提供了新的材料基础与理论依据。

参考文献

Fang, Q., Wang, L., Chang, K. et al. Semiconducting and magneticlanthanide MXenes from intercalated halides. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10802-2

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10802-2

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