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 自石墨烯問世以來，二維納米材料由于其優(yōu)異的性能獲得了廣泛關(guān)注。2011年，美國德雷塞爾大學提出了一類新型的二維納米材料MXene，通過氫氟酸剝離體相層狀材料M n 1 AX n 相獲得。此處M為前過渡族金屬元素，A指A族元素，如Al, Si等，X為C或N, n取值為自然數(shù)1-3。由于在氫氟酸等溶液中刻蝕，MXene的表面常被O、F、OH等官能團覆蓋。截至目前，已有二十多種MXene材料被成功合成，在儲能、電磁屏蔽、催化、傳感器、核素吸附等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出應用前景。

Sc 2 CT x MXene（T x 表示表面官能團）含有最輕的前過渡族金屬Sc, 雖然在實驗上尚未合成，但大量理論工作已經(jīng)表明Sc 2 CTx MXene具有多種優(yōu)異的特性。如Sc 2 C(OH) 2 是直接帶隙半導體，具有超高的電子遷移率（約為 ）和超低的功函數(shù)（約為1.6eV），是優(yōu)良的光學和半導體電子器件材料。Sc 2 CO 2 呈間接帶隙半導體，在外加應變和電場下可將其間接帶隙調(diào)節(jié)為直接帶隙。此外，該材料體系也是目前研究的MXene體系中唯一具有本征偶極矩的結(jié)構(gòu)，可作為鐵電材料。Sc 2 C(OH) 2 和Sc 2 CO 2 的結(jié)構(gòu)和電子能帶圖如圖1所示，Sc 2 C(OH) 2 主要由離子鍵構(gòu)成，結(jié)構(gòu)的空間群號為164。而Sc 2 CO 2 中間層碳原子和一側(cè)氧原子有部分共價鍵存在，空間群號為156。已有的實驗工作表明，氧功能化的MXene結(jié)構(gòu)多是通過羥基高溫脫氫得到。研究Sc 2 C(OH) 2 如何脫氫轉(zhuǎn)變?yōu)镾c 2 CO 2 結(jié)構(gòu)，以及其直接帶隙怎樣轉(zhuǎn)變?yōu)镾c 2 CO 2 的間接帶隙，對于基礎(chǔ)的物理材料科學和Sc系MXene材料的實際應用都具有重要的意義。

中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所核能材料工程實驗室研究團隊基于第一性原理理論研究，首先考察了2×2×1的超胞構(gòu)型的表面官能團轉(zhuǎn)化機制。即調(diào)控超胞構(gòu)型表面氫原子數(shù)目，研究了所有可能的七十四種中間態(tài)構(gòu)型。研究結(jié)果表明，Sc 2 C(OH) 2 向Sc 2 CO 2 轉(zhuǎn)化過程中，兩側(cè)近鄰位置依次脫氫。進一步研究發(fā)現(xiàn)該規(guī)律同樣適用于其他多種MXene表面官能團間的轉(zhuǎn)換，如Ti 2 C(OH) 2脫氫向Ti 2 CO 2 轉(zhuǎn)變，以及Ti 2 CF 2 向Ti 2 C(OH) 2 轉(zhuǎn)變。當氫含量降低到一定程度時，中間層C原子和Sc原子發(fā)生結(jié)構(gòu)重排。C原子的p軌道和Sc原子的d軌道形成p-d軌道雜化，共價鍵成分增加。這主要是由于隨著氫原子的減少，給電子的Sc和H原子不足以提供足夠的電子給需得到電子的C和O原子，故C和Sc原子之間形成共價鍵，促進結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在重排的結(jié)構(gòu)中研究人員發(fā)現(xiàn)，當層兩側(cè)氫原子不對等時，結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)雙磁性磁性半導體（Bipolar Magnetic System, BMS state）特性，即價帶頂和導帶底呈現(xiàn)自旋方向相反的電子態(tài)，如圖2a所示，因而具有較高的電子自旋極化率。由于Sc系MXene由輕元素組成，體系自旋軌道耦合作用較弱，因此該類材料有望獲得高于室溫的居里溫度。因此，該類材料是優(yōu)異的自旋電子器件材料。為了驗證該結(jié)果的可靠性，研究人員進一步考察了不同超胞結(jié)構(gòu)下（3×3×1和4×4×1）中間態(tài)的構(gòu)型Sc 2 C(OH) x O 2 -x ，最終確定出現(xiàn)BMS state的氫含量x區(qū)間大致位于0.188

上述工作已經(jīng)在線發(fā)表于 Nanoscale 期刊( Nanoscale, 2018, 10, 8763)，獲得了國家重點研發(fā)計劃（No. 2016YFB0700100）、國家自然科學基金（No. 11604346, No. 21671195, No. 21476247, No.21473229, No. 91545121, No. 21603252）、2014年中科院創(chuàng)新交叉團隊、中科院盧嘉錫國際創(chuàng)新團隊等項目的支持。

圖1 Sc 2 C(OH) 2 和Sc 2 CO 2 的結(jié)構(gòu)、電荷分布、原子電荷和能帶結(jié)構(gòu)圖。a, b為Sc 2 C(OH) 2 結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)面圖，b圖右側(cè)對應每層原子的原子電荷，e為Sc 2 C(OH) 2 的能帶結(jié)構(gòu)圖；c, d, f對應于Sc 2 CO 2 的結(jié)構(gòu)、電荷分布、原子電荷以及能帶結(jié)構(gòu)圖

圖2 a為基于2×2×1超胞的BMS的電子態(tài)密度圖， b為不同超胞構(gòu)型下中間態(tài)Sc 2 C(OH) x O 2-x 其氫含量x與體系磁矩的關(guān)系圖，其中實心的黑色矩形、紅色圓以及藍色三角形分別對應2×2×1，3×3×1以及4×4×1超胞下的BMS構(gòu)型