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/氮构成的二维层状化合物，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。这就像一支全能的运动队，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。

图一：镧系MXene的合成过程示意图。a，由卤化铜与镧系金属反应制得的LnT晶体结构；b，LnT向Ln₂CT₂的结构转变机理：LnT层间的层间电子（IAEs, interlayer anionic electrons）将石墨还原为四价碳阴离子C^4-，C^4-嵌入双金属层内的八面体间隙位点；c，最终产物Ln₂CT₂的晶体结构。

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“化学剪刀”亚层编辑合成新路，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”。  

镧系元素：被“屏蔽”的磁性宝藏

镧系元素的4f电子轨道十分特殊，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电子又并非完全孤立，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，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相前驱体数量有限，即便制得，后续刻蚀过程中相关元素也会被一并溶解，最终产物里根本留不下镧系的影子。

“化学剪刀”：剪开层状结构，重新编排原子

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，果断亮出他们此前提出的“化学剪刀”层状编辑策略。

2023年，宁波材料所团队在 Science 首次提出“化学剪刀”策略。这把“剪刀”并非真刀真枪，而是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——好比用原子尺度的乐高积木，按设计图重新拼装。

研究人员的灵感来源于一类特殊的层状化合物——镧系单卤化物（化学式LnT，其中Ln为镧系元素，T为卤素）。这类化合物的原子排列为T-Ln-Ln-T，竟然与MXene去掉碳原子层后的骨架惊人地相似。更妙的是，它们Ln-Ln双金属层间存在大量被称为“阴离子电子”的局域化电子，就像夹层里塞满了带电的“弹簧”，随时准备跃迁。  

电子当“搬运工”，碳离子“填空位”

基于这一结构相似性，团队设计了两步温和反应。第一步，将镧系金属与卤化铜反应，原位制得所需的单卤化物中间体。第二步，中间体与石墨粉反应，在高温下“共舞”。此时，中间体层间的局域化电子主动“奉献”自己，将石墨中的碳原子还原为四价碳阴离子（C^4-）。失去电子后，原本由电子维系的层间结合力减弱，带负电的碳阴离子顺势插入两层金属之间，精准地占据八面体空位，最终形成具有T-Ln-C-Ln-T堆叠序列的全新MXene晶体结构。

这就像一场精心编排的“分子芭蕾”：电子先做“引子”，激活碳原子；碳离子再当“舞者”，嵌入金属层间的空位；卤素端基则像“舞台布景”，稳定整个结构。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，实现了“按需定制”。

双重“超能力”：半导体带隙与铁磁有序并存

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，这些材料的光学带隙在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，进一步印证了半导体行为。与此同时，磁性测量显示，在2开尔文（约零下271摄氏度）的极低温下，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。  

理论计算揭示了背后的微观机制：层间碳骨架和表面卤素端基联手，消耗了镧系元素费米面附近的d电子，从而“撬开”了半导体带隙；而4f电子因被外层电子严密屏蔽，依然“我行我素”，保持局域磁矩，成为磁性的主要来源。两者各司其职，互不干扰，让材料在半导体性和磁性上“鱼与熊掌兼得”。

这一突破的意义不止于实验室。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，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，“化学剪刀”亚层编辑的合成策略具有普适性，未来有望推广至其他过渡金属，为二维材料研发打开一扇新大门。

（原文发布于2026年7月24日潮新闻客户端）

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