サブレイヤー化学により半導体・磁性ランタノイドMXeneを実現(Sublayer Chemistry Enables Semiconducting and Magnetic Lanthanide MXenes)

2026-07-30 中国科学院(CAS)

サブレイヤー化学により半導体・磁性ランタノイドMXeneを実現(Sublayer Chemistry Enables Semiconducting and Magnetic Lanthanide MXenes)
Synthesis process of lanthanide MXenes (Image by NIMTE)

中国科学院寧波材料技術・工程研究所(NIMTE)、浙江大学、甬江実験室の共同研究チームは、半導体特性と強磁性を兼ね備えた新しいランタノイドMXeneの合成に成功した。従来のMXeneは高い導電性を持つ一方で、半導体性と磁性を同時に実現することが困難だった。研究では「サブレイヤー化学」の概念を導入し、ランタノイド単ハロゲン化物を中間体とする二段階合成法を開発。炭素をランタノイド二重層へ組み込むことで、塩素または臭素終端を有する6種類の新規ランタノイドMXeneを創製した。これらは1.26~1.71 eVの光学バンドギャップを示す半導体であり、室温抵抗率も0.329~36.1 Ω・cmの範囲で制御可能である。また、低温では強磁性秩序を示すことが確認された。第一原理計算により、炭素挿入とハロゲン終端がd電子密度を低減してバンドギャップを形成し、4f電子が磁気モーメントを維持することで半導体性と強磁性が共存することが明らかになった。本成果は、MXeneにランタノイド機能を導入する新たな材料設計指針を示し、電荷輸送とスピン機能を融合したスピントロニクス材料などへの応用が期待される。

<関連情報>

層間挿入ハロゲン化物から得られる半導体および磁性ランタニドMXene Semiconducting and magnetic lanthanide MXenes from intercalated halides

Qian Fang,Liming Wang,Kai Chang,Hongxin Yang,Pu Yan,Kecheng Cao,Mian Li,Jianming Xue,Xiaoping Ouyang,Zhifang Chai & Qing Huang
Nature  Published:22 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10802-2

Abstract

Two-dimensional (2D) magnetic semiconductors are crucial for next-generation information storage and spintronic technologies1,2. MXenes, owing to compositional diversity and tunable properties, provide a platform for designing functional materials3,4,5. Incorporating lanthanides (Ln) introduces localized 4f electrons with strong spin polarization, while potentially enabling semiconducting behaviour, offering a viable route to magnetic semiconductors6,7. However, the scarcity of MAX precursors and the susceptibility of Ln to dissolution in common etchants (for example, HF), compared with other M elements such as Mo, hinder the synthesis of lanthanide MXenes (Ln2CT2) by conventional ‘top-down’ etching8. Here we propose a general ‘bottom-up’ methodology for synthesizing Ln2CT2 (Ln = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Lu; T = Cl, Br) using layered halides as van der Waals building blocks. Multilayer Ln2CT2 exhibits composition-tunable properties, characterized by optical absorption onsets spanning 1.26–1.71 eV, room-temperature resistivity of 0.329–36.1 Ω cm with a negative temperature coefficient, and low-temperature ferromagnetic hysteresis at 2 K accompanied by positive Curie–Weiss temperatures between 6 K and 59 K. Theoretical calculations show that the d-electron states around the Fermi level (Ef) are largely diminished in bare Ln2C, whereas surface terminals further exhaust these states to open band gaps. Meanwhile, the highly localized 4f electrons in Ln2CT2, located far from the Ef, contribute to the spin splitting for the observed ferromagnetic behaviour. This combination of semiconducting and magnetic properties makes Ln2CT2 a valuable candidate for spintronic device applications.

1701物理及び化学
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