原子制造新型量子材料：镧系MXene磁性半导体

|作者：杨洪新

(1 浙江大学物理学院）

(2 浙江大学 量子物态与器件研究中心）

本文选自《物理》2026年第10期

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引 言

信息的编码、运算、存储与传输构成了现代信息技术的基础，而这些功能的实现依赖于能够被可靠区分、精确操控和有效读取的物理状态。在以冯·诺依曼架构为代表的计算机体系中，程序和数据存放于存储器，处理器(CPU)通过读取指令和数据完成运算。这种运算与存储相分离的组织方式，使高速逻辑处理与稳定信息存储成为支撑计算系统的两项基本需求，也奠定了半导体与磁性材料在信息技术中的重要地位。

半导体的核心优势在于其电学性质具有高度可控性。通过掺杂、栅极电场和异质结构设计，可以调节载流子浓度与输运行为，实现电流的开关和放大。以半导体晶体管为基础的集成电路承担了现代计算机的逻辑运算与控制功能，半导体存储器则提供了高速数据访问和电荷存储能力。磁性材料利用不同磁化状态编码信息，依靠磁各向异性所形成的能垒保持存储状态，为断电后仍能保存数据提供了物理基础。从磁记录到磁随机存储器，磁性材料为信息存储提供了区别于电荷存储的重要途径。

随着计算规模扩大，处理器与存储器之间频繁搬运数据所带来的延迟和能耗，成为传统计算架构的重要瓶颈。这推动了信息器件从分别优化运算与存储，向探索二者更紧密协同的方向发展。磁性半导体兼具半导体能带与自旋自由度，为在同一种材料中结合电荷调控和自旋操控提供了可能：半导体带隙有利于调节载流子输运，磁性则为信息编码、保持和自旋选择性输运提供基础。因此，创制兼具可调带隙与本征磁性的新材料，不仅是凝聚态物理的重要课题，也为探索低功耗自旋电子器件及存算融合功能提供了材料基础。

MXene是一类二维金属碳化物或氮化物，其元素组成和表面端基具有较大的设计空间。然而，常见的早期过渡金属MXene多表现为金属性，如何获得具有本征磁性的半导体成员，仍面临材料合成与电子结构调控的双重挑战。

最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、浙江大学以及甬江实验室等团队合作，利用稀土卤化物中的层间电子驱动碳插层反应，制备出一系列镧系MXene材料Ln2CT2 (Ln=Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu, T=Br、Cl)，并结合实验表征和第一性原理计算揭示了其半导体性与磁性的微观来源[1]。这一工作将镧系元素引入MXene体系，为研究局域4f 磁矩与半导体能带的协同调控提供了新的材料平台，揭示了电子化合物中的间隙电子可以作为材料合成的内在资源，驱动碳进入晶格并构筑新的二维骨架，把镧系元素的局域磁矩与MXene可设计的化学结构相结合，使半导体特性和磁性能够在同一材料家族中获得。

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从插层调控到新型量子材料和物态创制

插层是调控层状材料物性的重要手段。在石墨烯、过渡金属硫族化合物等材料中，外来原子、离子或分子可以进入层间，改变电荷分布、晶体对称性和磁相互作用。对于自旋电子学材料，插层不仅能够引入局域磁矩，还可能改变反对称交换耦合，即Dzyaloshinskii—Moriya相互作用(DMI)，进而调控手性磁结构[2]。

此前，浙江大学研究团队通过理论计算揭示了在Co插层的MoS2、MoSe2和MoTe2体系中存在二维磁电多铁性，并提出利用铁电极化反转调控DMI手性和拓扑磁结构的方案[3]。随后，利用上述插层结构的多铁性，又提出了电压控制DMI力矩翻转垂直磁化[4]及Bimeron力矩翻转面内磁化[5]的两种磁写入新方案。此外，研究团队还与南京大学合作在Co插层TaS2体系中实现了反铁磁序的全电学自翻转[6]。

在层状材料的结构创制方面，中国科学院宁波材料技术与工程研究所团队于2023年报道了“化学剪刀”介导的结构编辑策略[7]。该策略利用路易斯酸熔盐选择性移除MAX相(MXene的前驱体)中的A位原子，或利用还原性金属去除MXene表面端基，再通过客体原子的插入及阴离子的配位，实现层间组分与表面化学的调控。研究不仅拓展了MAX相与MXene的组成，还实现了由MXene向MAX相的逆向转变，并创制出金属原子插层型二维碳化物。这一工作将选择性化学刻蚀拓展为层状材料的结构编辑，为通过原子层面的组分调控创制新材料提供了重要研究基础。

上述插层物性调控与“化学剪刀”结构编辑研究，进一步引出了一个问题：能否通过插层反应直接构筑新的碳化物骨架？此次研究将这一思路拓展至稀土单卤化物，利用其自身的电子供给能力活化碳源，使插入的碳成为MXene骨架的一部分(图1(a)—(c))。

图1 镧系MXene的碳插层合成机理与原子结构[1] (a)含间隙阴离子电子的LnT前驱体；(b)前驱体向石墨转移电子，驱动碳插层；(c)形成的层状Ln2CT2；(d)Er2CCl2的原子分辨扫描透射电子显微图及结构叠加示意图

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层间电子驱动的碳插层精准原子制造

传统MXene通常通过选择性刻蚀层状MAX相前驱体获得。对于镧系体系，合适前驱体的缺乏以及稀土元素易氧化等因素，使这一制备路线受到限制。最近的工作从稀土单卤化物LnT出发，通过碳插层直接构筑Ln2CT2，从而避免了对含镧系元素MAX相前驱体的依赖。

LnT属于电子化合物(electride)，其部分电子占据晶格间隙并起到阴离子的作用。这些间隙阴离子电子并不局限于某个原子的轨道，而分布在双金属层之间，赋予前驱体较强的电子给体能力。在反应过程中，稀土金属首先与铜卤化物反应生成LnT；随后，层间电子向石墨转移，使碳原子进入双金属层内的八面体间隙位点，最终形成由碳层、镧系金属层和卤素端基组成的Ln2CT2结构(图1(c))。

在形式价态图像下，这一过程可理解为石墨中的碳接受电子形成C4-，并与带正电的金属卤化物骨架结合。碳插入后与周围镧系原子成键，成为MXene的骨架组分；表面卤素端基则被保留在层状结构的外侧。由此，层间电子既参与碳源活化，也为新结构的形成提供了电子条件。

结构表征与原位测量为上述反应路径提供了证据。以Er2CCl2为例，粉末X射线衍射及结构精修确认了目标晶体结构；扫描电子显微镜和扫描透射电子显微镜观察到层状形貌及相应原子排列(图1(d))，剥离后还可获得纳米片。原位同步辐射X射线衍射记录了升温过程中前驱体和产物衍射峰的演化，支持先形成ErCl、再通过碳插层转化为Er2CCl2的两步反应图像[1]。

这一策略适用于Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Lu等镧系元素，并可采用Cl或Br端基。改变金属元素及端基，为进一步比较带隙、磁矩和交换相互作用提供了材料基础。

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半导体性与磁性的共存

与常见金属性MXene相比，Ln2CT2的一个突出特点是出现了可调的半导体带隙。带隙表示电子从价带跃迁至导带所需跨越的能量间隔，实验值约为1.26—1.71 eV，表明带隙可随镧系元素和端基的变化而调节，理论计算也给出了相应的能隙(图2(a)，(b))。电输运测量也显示，相关样品在100—200 K温区的电阻率随温度升高而降低，与半导体输运特征一致。光学、输运与计算结果共同支持了这一材料家族的半导体性质。图3概括了这一材料体系中半导体带隙与磁性的共存。

图2 镧系MXene的半导体能带 (a)不同组分的带隙比较：黑色圆点为光学实验结果，灰色方块为理论计算结果；(b)Tb2CCl2的自旋分辨能带。其中横轴为晶体动量空间中的高对称路径，纵轴为电子能量，蓝、红颜色表示相反自旋的权重。价带顶和导带底位于不同动量位置，因而具有间隙，计算值1.25 eV与实验值1.26 eV接近

磁性测量则揭示了镧系元素带来的另一自由度。含Gd、Tb、Dy、Ho和Er的样品在2K下表现出磁滞行为(图4(a)，(b))，表明其具有低温铁磁特征。图4(c)给出的居里—外斯温度约为6—59 K，正值反映了铁磁交换作用的总体倾向。需要区分的是，居里—外斯温度是磁化率拟合得到的参数，不能直接等同于长程磁有序的转变温度。

图3 镧系MXene中半导体性与磁性共存的概念示意图。其中蓝色、灰黑色和金色球体分别表示镧系原子、碳原子和卤素端基，红色箭头表示磁矩。左上方的M—H磁滞回线表达磁化响应对磁场历史的依赖，右上方分离的能带意象表达半导体带隙(图为示意图，不代表精确晶体结构或实验数据)

通过改变镧系元素及卤素端基，可以在同一结构家族中比较带隙与磁相互作用的变化。这使Ln2CT2成为研究化学组成、电子结构与磁性之间联系的理想体系，也为选择适合不同自旋功能的材料提供了依据。

图4 镧系MXene的低温磁性 相关氯化物(a)与溴化物(b)样品在2 K下的磁化曲线，正向与反向扫场的曲线不完全重合，形成磁滞回线，表明磁化状态与先前施加磁场的过程有关，反映出低温时的铁磁特征；(c)磁化率拟合得到的居里—外斯温度：不同组分下约为6—59 K

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镧系MXene带隙与磁矩共存的微观机制

要理解这一结果，需区分镧系元素中承担不同作用的电子。第一性原理计算表明，碳骨架与卤素端基引起的电荷转移，显著改变了费米能级附近的5d电子态；与此同时，具有未配对4f电子的镧系离子仍可保留局域磁矩。两类电子在空间分布和能量位置上的差异，为带隙与磁性的共存提供了条件。

与未终止的Ln2C相比，卤素端基进一步改变5d 相关能带的占据，使费米能级附近的金属态减少并打开带隙。这一研究中的投影态密度和Bader电荷分析，从能带和电荷转移两个方面支持了这一解释[1]。与较为延展的5d态不同，4f态具有较强的局域性，未配对4f 电子所携带的磁矩可以在带隙打开后继续保留。因此，电荷转移调节带边电子态与局域磁矩保留能够在同一结构中兼容。

计算结果还显示，Er2CCl2和Er2CBr2具有双极性磁性半导体的能带特征，即价带顶与导带底分属相反的自旋通道。这意味着，在保持磁化方向的情况下，通过栅压改变电子或空穴载流子类型，有望调节输运载流子的自旋极化方向。实际的自旋注入效率及其电压可控性，仍需结合接触界面和器件输运实验进一步检验。

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从新材料到可控半导体自旋功能

这项工作表明，电子化合物中的间隙电子可以作为材料合成的内在资源，驱动碳进入晶格并构筑新的二维骨架。其意义在于把镧系元素的局域磁矩与MXene可设计的化学结构相结合，使半导体特性和磁性能够在同一材料家族中实现。

面向冯·诺依曼架构中运算与存储分离所带来的数据搬运困境，发展兼具半导体输运特性与磁存储潜力的材料，是探索低功耗存算一体信息器件的重要方向。镧系MXene将可调半导体能带与局域磁矩结合于同一材料体系，为电荷与自旋自由度的协同调控提供了平台。未来还需进一步提高磁有序温度与环境稳定性，探索栅压对载流子输运和磁化状态的有效控制，并建立磁性信息写入、保持与电学读取之间的联系。在此基础上，有望发展融合逻辑与存储功能的器件，为减少处理器与存储器之间的数据搬运、探索存算融合架构提供新的材料基础。

致 谢 感谢中国科学院宁波材料技术与工程研究所、浙江大学、甬江实验室、上海科技大学、北京大学和湘潭大学等合作单位的支持。方倩、王黎明为论文共同第一作者，杨洪新、黄庆为通讯作者。

参考文献

[1] Fang Q，Wang L，Chang K et al. Nature，2026，656：86

[2] Yang H，Liang J，Cui Q. Nat. Rev. Phys.，2023，5：43

[3] Shao Z，Liang J，Cui Q et al. Phys. Rev. B，2022，105：174404

[4] Yu D，Ga Y，Liang J et al. Phys. Rev. Lett.，2023，130：056701

[5] Yu D，Ga Y，Li P et al. Phys. Rev. Lett.，2024，133：206701

[6] Xiong J，Jiang J，Cui Y et al. Phys. Rev. Lett.，2025，135：206701

[7] Ding H，Li Y，Li M et al. Science，2023，379：1130

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