Enhanced photocatalytic and spintronic properties in proposed α-MXene family 

via ferroelectric effect

铁电效应调控α-MXene材料光催化与自旋电子学性能增强研究

作者信息：

Yinggan Zhang ^a b, Zhou Cui ^c, Baisheng Sa c, Jian Zhou ^a, Zhimei Sun ^a

a School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing, 100191, China

b College of Materials, Xiamen Key Laboratory of Electronic Ceramic Materials and Devices, 

Fujian Provincial Key Laboratory of Theoretical and Computational Chemistry, 

Xiamen University, Xiamen, 361005, China

c Multiscale Computational Materials Facility & Materials Genome Institute, School of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, 350108, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100004

文章介绍：

二维材料因其维度和尺寸的降低而展现出独特的物理化学特性。近年来，随着合成技术的重大突破，越来越多的二维材料被成功制备。其中，二维过渡金属碳化物（MXene）通过选择性化学刻蚀MAX相中的A元素（M代表过渡金属原子，A为IIA或IVA族元素，X表示碳或氮）而迅速崛起。MXene通常由夹在金属M层间的X单层构成，表面以氧和/或氟官能团终止。丰富的化学组成使MXene具有众多优异的电子、磁性和电化学性能，因此在电子器件、光电子学、光催化和电池负极等领域获得广泛应用。值得注意的是，Sc2CO2型MXene因表面不对称O官能团而呈现铁电基态，在纳米电子学和光伏应用中前景广阔。基于高通量筛选，更多具有不对称表面官能化的MXene被预测为铁电材料。然而，典型MXene的中心对称二维结构使其铁电性主要依赖表面官能团的不对称性，这种铁电性通常较弱且难以维持。因此，在MXene中发现新的铁电相仍是一个极具挑战性的重要研究方向。

中文摘要：

二维过渡金属碳化物（MXene）因其独特的物理化学性质备受关注。本研究通过密度泛函理论计算，首次提出空间群为R3m的新型过渡金属碳化物相（化学式为M2CX2，M=Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn；X=O、F），命名为α-MXene。该材料具有与二维铁电材料α-In2Se3相似的ABBCA原子层构型，显著区别于典型MXene的ABCAB密堆积结构。研究揭示α-MXene具有可调控的铁电特性（含五种稀有铁电金属和一种狄拉克半金属），其极化反转能垒适中。尤为重要的是，α-MXene不仅能利用红外光突破1.23eV的带隙限制实现光催化反应，还可通过铁电效应诱导的内建电场在材料不同表面分别产生氢气和氧气。基于α-MXene构建的铁电隧道结（FTJ）展现出极高的隧道电阻比（TER），表明其在先进铁电存储器件中的应用潜力。本工作为开发MXene家族铁电材料提供了新思路，同时展现了α-MXene在光催化和自旋电子学领域的应用前景。