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Enhanced photocatalytic and spintronic properties in proposed α-MXene family 

via ferroelectric effect

鐵電效應調控α-MXene材料光催化與自旋電子學性能增強研究

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

文章介紹：

二維材料因其維度和尺寸的降低而展現出獨特的物理化學特性。近年來，隨著合成技術的重大突破，越來越多的二維材料被成功制備。其中，二維過渡金屬碳化物（MXene）通過選擇性化學刻蝕MAX相中的A元素（M代表過渡金屬原子，A為IIA或IVA族元素，X表示碳或氮）而迅速崛起。MXene通常由夾在金屬M層間的X單層構成，表面以氧和/或氟官能團終止。豐富的化學組成使MXene具有眾多優異的電子、磁性和電化學性能，因此在電子器件、光電子學、光催化和電池負極等領域獲得廣泛應用。值得注意的是，Sc2CO2型MXene因表面不對稱O官能團而呈現鐵電基態，在納米電子學和光伏應用中前景廣闊。基于高通量篩選，更多具有不對稱表面官能化的MXene被預測為鐵電材料。然而，典型MXene的中心對稱二維結構使其鐵電性主要依賴表面官能團的不對稱性，這種鐵電性通常較弱且難以維持。因此，在MXene中發現新的鐵電相仍是一個極具挑戰性的重要研究方向。

中文摘要：

二維過渡金屬碳化物（MXene）因其獨特的物理化學性質備受關注。本研究通過密度泛函理論計算，首次提出空間群為R3m的新型過渡金屬碳化物相（化學式為M2CX2，M=Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn；X=O、F），命名為α-MXene。該材料具有與二維鐵電材料α-In2Se3相似的ABBCA原子層構型，顯著區別于典型MXene的ABCAB密堆積結構。研究揭示α-MXene具有可調控的鐵電特性（含五種稀有鐵電金屬和一種狄拉克半金屬），其極化反轉能壘適中。尤為重要的是，α-MXene不僅能利用紅外光突破1.23eV的帶隙限制實現光催化反應，還可通過鐵電效應誘導的內建電場在材料不同表面分別產生氫氣和氧氣。基于α-MXene構建的鐵電隧道結（FTJ）展現出極高的隧道電阻比（TER），表明其在先進鐵電存儲器件中的應用潛力。本工作為開發MXene家族鐵電材料提供了新思路，同時展現了α-MXene在光催化和自旋電子學領域的應用前景。