隨著柔性透明電子技術(shù)的興起，二維半導(dǎo)體材料近年來備受關(guān)注，特別是直接帶隙特性使得這些二維結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用在光電子學(xué)領(lǐng)域。在過去十年里，研究者們已相繼發(fā)展出MoS2和磷烯等典型的具有直接帶隙的二維半導(dǎo)體材料。然而，MoS2的帶隙是層數(shù)依賴性的，直接帶隙僅能在單層結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)，而磷烯在空氣環(huán)境中的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。因此，近年來眾多研究致力于優(yōu)化這些二維結(jié)構(gòu)并探索更多的二維半導(dǎo)體組員。二維過渡金屬碳化物（MXenes）是自2011年以來新興發(fā)展起來的一類二維材料，其豐富的化學(xué)元素組成及可調(diào)諧的表面官能團為其性質(zhì)的多樣化提供了廣闊的空間。MXenes材料主要由選擇性刻蝕三維層狀MAX相材料的A層Al原子獲得，其中M表示前過渡金屬，A主要是來自第13-16族的元素，X是C和/或N。MXenes材料豐富的化學(xué)元素組成和可調(diào)諧的性質(zhì)使其在儲能、電磁干擾屏蔽、復(fù)合材料、水體凈化及傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。一般來說，這些二維碳化物呈現(xiàn)本征的金屬性，并且其中的諸多組員兼具導(dǎo)電性和親水性。在適當(dāng)表面官能團Tx調(diào)諧下，Mo2CTx和Mo2TiC2Tx等少數(shù)組員呈現(xiàn)類似半導(dǎo)體的輸運性質(zhì)，理論工作則表明其具有間接帶隙。盡管理論工作預(yù)測了MXenes中的一些組員具有直接帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)，但在實驗合成上仍面臨挑戰(zhàn)。因此，進一步豐富MXenes材料體系，引入具有直接帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)的組員對拓展MXenes材料化學(xué)、結(jié)構(gòu)多樣性并拓展其在光電子器件等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用具有重要意義。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進能源材料工程實驗室前期的理論工作表明，Sc2C是MXenes體系中唯一一個半導(dǎo)體特性不依賴于表面官能團的組員，此外羥基官能化的Sc2COH被預(yù)測具有直接帶隙特性。但是，過渡金屬Sc很難形成相應(yīng)的含Al的MAX相結(jié)構(gòu)。最近，瑞典林雪平大學(xué)團隊通過將Sc引入三元Mo-Al-C系統(tǒng)，分別合成了面外有序的o-MAX和面內(nèi)化學(xué)有序的i-MAX層狀材料，基于選擇性刻蝕法又相繼獲得了Mo2ScC2Tx和Mo1.33CTxMXenes，但在含氟化物的溶液中同時發(fā)生了Al和Sc原子的選擇性蝕刻。以上工作表明基于傳統(tǒng)思路，在腐蝕性含氟溶液中選擇性蝕刻MAX相來合成全Sc系MXene非常困難。因此，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得可刻蝕的前驅(qū)體，并建立溫和相容的刻蝕化學(xué)對獲得全Sc系MXene非常重要。先進能源材料工程實驗室利用一類新型非MAX相層狀材料作為前驅(qū)體，通過刻蝕Zr3Al3C5及Hf3(AlSi)4C6中的Al(Si)-C亞層的全新路徑，相繼在MXenes體系中引入了Zr3C2Tx(Angewandte Chemie International Edition,128 (16), 5092-5097)及Hf3C2Tx(ACS nano11 (4), 3841-3850) MXenes組員。在此基礎(chǔ)上，實驗室研究人員合成了類MAX相結(jié)構(gòu)的ScAl3C3前驅(qū)體，在相對溫和的有機堿液TMAOH中，選擇性刻蝕ScAl3C3相中的Al-C亞層獲得了二維全鈧系碳化物ScCxOH。通過光電子能譜、電子能量損失譜及透射電鏡等表征手段證實其表面主要含-OH官能團。與瑞典林雪平大學(xué)教授Per Persson團隊合作，基于價電子能量損失譜（VEELS）及陰極熒光光譜（CL）證實該新型Sc系二維碳化物具有約2.5eV的直接帶隙。與日本國立材料研究所教授廖梅勇團隊合作，以剝離態(tài)的幾層結(jié)構(gòu)ScCxOH片層制作了光探測器件，發(fā)現(xiàn)其在紫外可見光區(qū)域具有良好的光電響應(yīng)性（0.125A/W，10V，360nm）及高量子效率（～43%），瞬態(tài)響應(yīng)良好，無明顯缺陷阱效應(yīng)。該材料的響應(yīng)率與基于石墨烯、少層MoS2及GaSe等二維材料制作的光探測器具有可比性，且接近傳統(tǒng)的GaN薄膜光探測器件（0.148 A W-1, 51%）。具有適中帶隙值的直接帶隙半導(dǎo)體型ScCxOH材料有望在可見光探測器及光催化等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

該工作近期發(fā)表于ACS Nano期刊（DOI: 10.1021/acsnano.8b06279）。相關(guān)研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院前沿科學(xué)重點研究計劃、王寬誠教育基金，普渡大學(xué)ITaP計算資源、中科院跨學(xué)科創(chuàng)新團隊等的經(jīng)費支持。

原標(biāo)題:寧波材料所合成半導(dǎo)體型類MXene二維過渡金屬碳化物材料