摘要：金烯（goldene）是一种单原子层厚的二维（2D）金薄片，因其在光电、催化和自旋电子学等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的块体金材料相比，金烯具有开拓能隙、增强表面等离子共振、提高催化活性等优点。然而，金属通常倾向于形成三维（3D）结构，金烯在结构稳定性

金烯（goldene）是一种单原子层厚的二维（2D）金薄片，因其在光电、催化和自旋电子学等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的块体金材料相比，金烯具有开拓能隙、增强表面等离子共振、提高催化活性等优点。然而，金属通常倾向于形成三维（3D）结构，金烯在结构稳定性、可控制备和尺寸均匀性方面仍面临诸多挑战，因此限制了其进一步发展和应用。

成果简介

在此，瑞典林雪平大学拉尔斯·霍特曼（Lars Hultman）教授、YUCHEN SHI等人在Science Advances期刊上发表了题为“Synthesis of Ti4Au3C3 and its derivative trilayer goldene through chemical exfoliation”的最新论文。该团队通过Si原子层替换策略，在Ti₄SiC₃中成功合成了原子层状Ti₄Au₃C₃相，并通过化学刻蚀Ti₄C₃层，首次获得了独立的三层金烯薄片。该薄片厚度约为6.7埃，宽度可达100纳米，表现出六方密堆（hcp）和面心立方（fcc）两种堆叠结构，其中hcp结构在室温下更稳定。

利用密度泛函理论（DFT）计算和ab initio分子动力学模拟，研究表明三层金烯是最优稳定结构，而非单层、双层或更厚的层数。此外，该团队利用X射线光电子能谱（XPS）对其电子结构进行了研究，揭示了三层金烯的独特电子性能。这一研究不仅拓展了金烯家族的成员，也为探索二维金属材料的层数依赖性和新奇量子效应提供了重要实验平台。

研究亮点

(1) 本实验首次成功合成了三层原子厚度的金烯（trilayer goldene），其厚度为 6.7 Å，尺寸约 100 nm。通过化学刻蚀 Ti₄Au₃C₃ 模板中的 Ti₄C₃ 层，获得了自由态的三层金烯薄片，扩展了单原子厚度金烯的研究范畴。

(2) 实验通过 Si 原子的替换插层反应，在 Ti₄SiC₃ 中引入三层 Au，成功合成了 Ti₄Au₃C₃。这一结构的形成由密度泛函理论（DFT）计算支持，计算结果表明，相较于单层、双层或多于三层的 Au 插层，三层结构在能量上最为稳定。

(3) 三层金烯呈现出两种堆叠方式：六方密堆（hcp）和面心立方（fcc）。通过 ab initio 分子动力学模拟分析，发现 hcp 结构在室温下比 fcc 结构稳定约 50 毫电子伏每原子。

(4) 电子结构表征显示，三层金烯具有优异的导电性，可与掺杂石墨烯相媲美。此外，其独特的层间耦合作用可能赋予其新的物理特性，为探索贵金属二维材料的电子态调控提供了新思路。

图文解读

图1：展示了Ti4Au3C3的合成过程。

图2：通过DFT计算研究了Ti4Au1+xC3（x = 1, 2, 3, 4, 5）的结构稳定性。

图3：展示了从Ti4Au3C3中剥离出三层goldene的过程。

图4：通过X射线光电子能谱（XPS）分析了Ti4Au3C3在剥离前后的电子性质。

总结展望

本研究突破了传统金属难以形成大面积二维结构的限制，成功制备了独立的三层金烯，并揭示了其在热力学上的稳定性及电子结构特性。研究表明，通过合理选择 MAX 相前驱体并利用固态取代反应，可以在层间插入特定数量的贵金属原子，实现不同层数的金属烯结构。

这不仅为二维金属材料的厚度调控提供了新思路，也为探索其他贵金属（如银、铂、铱）在 MAX 相中的可控插层提供了理论依据。此外，研究发现三层金烯因其特殊的电子结构和稳定性，展现出独特的物理化学性质，为后续在催化、电子器件及纳米材料领域的应用奠定了基础。更重要的是，本研究证明了通过刻蚀策略精准调控金属烯厚度的可行性，进一步拓宽了准二维金属材料的研究范畴，为未来开发新型纳米结构提供了创新性的研究方向。

文献信息

Yuchen Shi et al. ,Synthesis of Ti4Au3C3 and its derivative trilayer goldene through chemical exfoliation.Sci. Adv.11,eadt7999(2025).DOI:10.1126/sciadv.adt7999

来源：MS杨站长