宁波材料所在自旋电子器件材料研究中取得进展

自石墨烯问世以来，二维纳米材料由于其优异的性能获得了广泛关注。2011年，美国德雷塞尔大学提出了一类新型的二维纳米材料MXene，通过氢氟酸剥离体相层状材料M_n+1AX_n相获得。此处M为前过渡族金属元素，A指A族元素，如Al, Si等，X为C或N, n取值为自然数1-3。由于在氢氟酸等溶液中刻蚀，MXene的表面常被O、F、OH等官能团覆盖。截至目前，已有二十多种MXene材料被成功合成，在储能、电磁屏蔽、催化、传感器、核素吸附等多个领域展现出应用前景。

Sc₂CTx MXene（Tx表示表面官能团）含有最轻的前过渡族金属Sc, 虽然在实验上尚未合成，但大量理论工作已经表明Sc₂CTx MXene具有多种优异的特性。如Sc₂C(OH)₂是直接带隙半导体，具有超高的电子迁移率（约为）和超低的功函数（约为1.6eV），是优良的光学和半导体电子器件材料。Sc₂CO₂呈间接带隙半导体，在外加应变和电场下可将其间接带隙调节为直接带隙。此外，该材料体系也是目前研究的MXene体系中唯一具有本征偶极矩的结构，可作为铁电材料。Sc₂C(OH)₂和Sc₂CO₂的结构和电子能带图如图1所示，Sc₂C(OH)₂主要由离子键构成，结构的空间群号为164。而Sc₂CO₂中间层碳原子和一侧氧原子有部分共价键存在，空间群号为156。已有的实验工作表明，氧功能化的MXene结构多是通过羟基高温脱氢得到。研究Sc₂C(OH)₂如何脱氢转变为Sc₂CO₂结构，以及其直接带隙怎样转变为Sc₂CO₂的间接带隙，对于基础的物理材料科学和Sc系MXene材料的实际应用都具有重要的意义。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所核能材料工程实验室研究团队基于第一性原理理论研究，首先考察了2×2×1的超胞构型的表面官能团转化机制。即调控超胞构型表面氢原子数目，研究了所有可能的七十四种中间态构型。研究结果表明，Sc₂C(OH)₂向Sc₂CO₂转化过程中，两侧近邻位置依次脱氢。进一步研究发现该规律同样适用于其他多种MXene表面官能团间的转换，如Ti₂C(OH)₂脱氢向Ti₂CO₂转变，以及Ti₂CF₂向Ti₂C(OH)₂转变。当氢含量降低到一定程度时，中间层C原子和Sc原子发生结构重排。C原子的p轨道和Sc原子的d轨道形成p-d轨道杂化，共价键成分增加。这主要是由于随着氢原子的减少，给电子的Sc和H原子不足以提供足够的电子给需得到电子的C和O原子，故C和Sc原子之间形成共价键，促进结构稳定。在重排的结构中研究人员发现，当层两侧氢原子不对等时，结构容易出现双磁性磁性半导体（Bipolar Magnetic System, BMS state）特性，即价带顶和导带底呈现自旋方向相反的电子态，如图2a所示，因而具有较高的电子自旋极化率。由于Sc系MXene由轻元素组成，体系自旋轨道耦合作用较弱，因此该类材料有望获得高于室温的居里温度。因此，该类材料是优异的自旋电子器件材料。为了验证该结果的可靠性，研究人员进一步考察了不同超胞结构下（3×3×1和4×4×1）中间态的构型Sc₂C(OH)_xO_2-x，最终确定出现BMS state的氢含量x区间大致位于0.188<x<0.812，如图2b所示。该工作进一步丰富了MXene材料的应用前景。

上述工作已经在线发表于Nanoscale 期刊(Nanoscale, 2018, 10, 8763)，获得了国家重点研发计划（No. 2016YFB0700100）、国家自然科学基金（No. 11604346, No. 21671195, No. 21476247, No.21473229, No. 91545121, No. 21603252）、2014年中科院创新交叉团队、中科院卢嘉锡国际创新团队等项目的支持。

　　图1 Sc₂C(OH)₂和Sc₂CO₂的结构、电荷分布、原子电荷和能带结构图。a, b为Sc₂C(OH)₂结构的俯视图和侧面图，b图右侧对应每层原子的原子电荷，e为Sc₂C(OH)₂的能带结构图；c, d, f对应于Sc₂CO₂的结构、电荷分布、原子电荷以及能带结构图

　　图2 a为基于2×2×1超胞的BMS的电子态密度图， b为不同超胞构型下中间态Sc₂C(OH)_xO_2-x其氢含量x与体系磁矩的关系图，其中实心的黑色矩形、红色圆以及蓝色三角形分别对应2×2×1，3×3×1以及4×4×1超胞下的BMS构型