研究背景

在當(dāng)前全球科技競爭加劇和電子信息產(chǎn)業(yè)快速迭代的背景下，高性能電子材料已成為國家戰(zhàn)略競爭的核心領(lǐng)域。現(xiàn)有電子材料面臨嚴(yán)重技術(shù)瓶頸：傳統(tǒng)范德華力超晶格因界面耦合弱，難以滿足5G/6G通信、人工智能和量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域?qū)Τ唠姶牌帘涡芎蜆O致電導(dǎo)率的迫切需求。我國在高端電子材料領(lǐng)域仍存在"卡脖子"問題，尤其在先進(jìn)半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料方面對外依存度高，制約產(chǎn)業(yè)鏈安全。

發(fā)展非范德華力超晶格等創(chuàng)新材料體系具有重大戰(zhàn)略意義。這類材料通過剛度調(diào)節(jié)的卷曲策略和層間氫鍵結(jié)合，突破了傳統(tǒng)材料的性能極限，可實(shí)現(xiàn)124 dB的電磁屏蔽效果和30,000 S cm?1的超高電導(dǎo)率，為解決國家在高端電子器件、航空航天和國防安全領(lǐng)域的材料瓶頸提供全新路徑。加速布局此類前沿材料的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化，對構(gòu)建我國自主可控的先進(jìn)電子材料體系、實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)具有不可替代的戰(zhàn)略價(jià)值。

針對上述問題，由北京航空航天大學(xué)聯(lián)合休斯頓大學(xué)等組成的團(tuán)隊(duì)，利用澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，該團(tuán)隊(duì)通過剛度調(diào)節(jié)的卷曲策略成功構(gòu)建了具有層間氫鍵結(jié)合的碳化物和碳氮化物非范德華超晶格，實(shí)現(xiàn)了30000 S cm?1超高電導(dǎo)率和124dB卓越電磁屏蔽性能，這一突破性成果發(fā)表于國際頂級期刊《Nature》，彰顯了該研究的科學(xué)價(jià)值與創(chuàng)新高度。

標(biāo)題：Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides

期刊：Nature

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09649-w

非范德華超晶格的創(chuàng)新合成策略

研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種基于剛度調(diào)節(jié)卷曲策略的合成方法，實(shí)現(xiàn)了碳化物和碳氮化物非范德華超晶格的構(gòu)建。該方法的核心在于通過在MX層中創(chuàng)建金屬空位來定制原子層的彎曲剛度，從而在四丁基膦氫氧化物(TBPH)等高效剝離劑作用下觸發(fā)原子層的有序卷曲。與傳統(tǒng)范德華超晶格不同，這種新型結(jié)構(gòu)通過層間氫鍵結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)界面電子耦合。目前已成功制備17種不同組成的MXene超晶格，包括V、Ti、Nb和Ta基碳化物和碳氮化物，為人工堆疊體系提供了豐富的材料平臺。

圖1 非范德華超晶格的制備與形成機(jī)制

圖2 非范德華超晶格的原子結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)

超高電導(dǎo)率與異常輸運(yùn)特性

V?CT?非范德華超晶格展現(xiàn)出卓越的電學(xué)性能，單根超晶格的電導(dǎo)率高達(dá)30,000 S cm?1，是對應(yīng)納米片(約1,400 S cm?1)的22倍。這種異常高的電導(dǎo)率主要源于超晶格中高達(dá)1022 cm?3的載流子濃度，比V?CT?納米片高出兩個(gè)數(shù)量級。為深入探究扭曲角與電子特性的關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)采用澤攸科技的FEI電學(xué)芯片桿，在TEM中精準(zhǔn)識別特定扭曲角的單個(gè)超晶格并制備四端器件。這種原位表征方法揭示了不同扭曲角(1.8°-9.0°)的超晶格均保持超高電導(dǎo)率(27,000-35,000 S cm?1)，證明了氫鍵結(jié)合帶來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3 非范德華超晶格的電/磁輸運(yùn)性質(zhì)

創(chuàng)紀(jì)錄的電磁屏蔽性能

憑借超高電導(dǎo)率和獨(dú)特的卷曲結(jié)構(gòu)，V?CT?非范德華超晶格在電磁干擾(EMI)屏蔽領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越性能。40微米厚的隨機(jī)分布超晶格薄膜在X波段(8.2-12.4 GHz)實(shí)現(xiàn)了119 dB的屏蔽效能，可阻擋99.99999999987%的入射輻射。通過進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有中間定向?qū)雍蛢蓚?cè)隨機(jī)層的夾層薄膜，將屏蔽效能提升至124 dB，創(chuàng)下了同厚度合成材料的最高紀(jì)錄。該材料的絕對屏蔽效能(SSE/t)達(dá)到200,000 dB cm2 g?1，分別是納米片薄膜、Ti基MXene和銅箔的10倍、3倍和25倍，為下一代輕量化高效電磁屏蔽材料開辟了新途徑。

圖4 非范德華超晶格薄膜的超高電磁屏蔽性能

澤攸科技作為中國本土的儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的一流供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。