二维材料因其独特的物理化学性质而受到广泛关注，其中过渡金属碳化物MXene因其优异的电子、磁性和光电性能成为研究热点。然而，传统MXene多为中心对称结构，其铁电性能有限，限制了在光催化和自旋电子学领域的应用。
北京航空航天大学孙志梅教授团队通过第一性原理计算，提出了一种新型α-MXene体系（M2CX2，M = Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn；X = O, F），其原子层堆积类似二维铁电材料α-In2Se3，打破中心对称性，实现了可调铁电性。团队发现α-MXene不仅可利用红外光突破水分解的能带限制，还可在两侧同时生成氢气和氧气；同时，其基于铁电效应的隧穿结器件显示出超高隧穿电阻比，展现出在高性能存储器中的应用潜力。
该研究为MXene家族开辟了新的铁电材料方向，并展示了其在光催化与自旋电子学的创新应用前景。
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100004
亮点一｜α-MXene新体系的原子结构设计
工作内容：首次提出α-MXene（M2CX2）原子层ABBCA堆积结构，模拟铁电材料α-In2Se3的非对称性。
研究价值：打破传统中心对称MXene局限，实现可调铁电性，为二维铁电材料设计提供新思路。
亮点二｜铁电效应驱动的光催化性能
工作内容：α-MXene在光照下可有效分离光生电子-空穴，并利用内建电场突破能带限制，实现红外光水分解。
研究价值：Ti2CO2、Hf2CO2、Ta2CO2 α-MXene表现出高效氢氧生成能力，适用于可见光-红外光联合利用的高效光催化器件。
亮点三｜高性能自旋电子器件潜力
工作内容：构建基于Zr2CO2和Nb2CO2的铁电隧穿结（FTJ），模拟器件传输特性。
研究价值：TER达到1.18 × 10^13和8.62 × 10^10，显示α-MXene在非易失性铁电存储器和自旋电子器件中的应用潜力。
亮点四｜发现稀有铁电金属与Dirac半金属
工作内容：Nb2CF2、Ta2CF2、Mo2CO2、Mo2CF2、W2CF2为铁电金属，W2CO2为Dirac半金属。
研究价值：首次在MXene中实现铁电金属共存，为高性能电子器件提供全新材料选择。
孙志梅教授团队通过理论计算成功设计出α-MXene新体系，揭示了其可调铁电性、稀有铁电金属特性及Dirac半金属特性，为二维材料研究提供了全新思路。该体系在光催化水分解中可同时利用可见光与红外光，实现高效电子-空穴分离，展现出绿色能源应用潜力。
同时，α-MXene基FTJ器件在隧穿电阻比上表现卓越，显示出在高性能非易失性存储器和自旋电子器件中的应用前景。这一研究不仅扩展了MXene家族的功能边界，也为二维铁电材料在能源转换与信息存储领域的探索提供了坚实基础。
孙志梅教授团队的工作为新型功能材料的设计与应用提供了重要示范，推动了二维铁电MXene从理论预测向实际应用的转化。
北京航空航天大学
教授、博士生导师
孙志梅，北京航空航天大学材料学院教授、博士生导师。长期从事材料电子结构计算和分子动力学模拟研究及相关实验，在半导体材料和高温结构材料等研究中取得了显著成绩，在PRL、PNAS、JACS等期刊上发表SCI论文260余篇，被SCI引用10000余次；论文被Nature作为Research Highlights介绍，被Nature Materials在News & Views栏目介绍；出版专著《先进材料的计算与设计》（科学出版社），授权8项国家发明专利，获批软件著作权13项。
入选国家级领军人才、福建省高校领军人才、教育部新世纪优秀人才；获得国家级与省部级青年基金；主持国家重点研发计划《材料基因工程关键技术与支撑平台》重点项目等多项国家和省部级项目。担任工业和信息化部产业发展促进中心“材料基因工程关键技术与支撑平台”专项分委员会专家委员、中国材料研究学会计算材料学分委员会第三届委员会委员、中国材料与实验团体标准委员会材料基因工程领域委员会委员、《北京航空航天大学学报》第五届编委会副主编、IET Nanodielectrics等国际期刊editor、中国材料研究学会材料基因组分委会委员、副秘书长等。
获得北京市三八红旗奖章、全国三八红旗手、国务院政府特殊津贴专家等多项荣誉。
点击链接，获取文章全文：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S3050914925000044
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https://www.sciencedirect.com/journal/transactions-of-materials-research
出品｜中国材料研究学会
来源｜中国材料研究学会期刊中心
作者｜马艳
排版｜马艳
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