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Mn+1AXn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。

　　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

　　宁波材料所黄庆研究员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。在重排的结构中我们发现，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，我们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)xO2-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。

　　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)xO2-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

　　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年中国科学院创新交叉团队、中科院卢嘉锡国际创新团队等项目的支持。

　　（黄庆研究员团队 都时禹 查显弧）