作者:杨树斌等 来源:《自然》 发布时间:2025/10/23 16:51:55
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北航报道新型非范德华超晶格

 

2025年10月22日,北京航空航天大学材料学院杨树斌教授团队在Nature期刊上发表一篇题为“Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides”的研究成果。该成果报道了新型非范德华超晶格材料,突破了传统超晶格基于范德华二维材料的限制;发现了独特的层间氢键-电子耦合作用,非范德华超晶格材料表现出高载流子浓度和超高电导率,在电磁屏蔽方面展现出破纪录的屏蔽效能。同时,由于独特的有序结构及其电学、力学和磁学等性质,非范德华超晶格材料在电子、信息(5G、6G)、能量存储和转化等领域具有广阔的应用前景。

论文的唯一通讯作者是杨树斌教授,第一作者是赵麒博士。

超晶格材料是一类由石墨烯、硫化物等二维原子层材料按周期性堆叠构筑的新材料体系,具有超导、铁磁与拓扑绝缘态等一系列独特的物理化学性质,在电子器件、能量存储等领域展现出广阔的应用前景。然而,目前该领域的研究主要集中于二维范德华超晶格体系,层间依赖较弱的范德华相互作用,其物理性能易受环境波动的影响,且可组装的结构单元数量有限,严重制约了超晶格材料的进一步发展与应用。

针对这一关键挑战,杨树斌教授团队创新性地提出了一种“刚度介导卷曲”的合成策略,通过精准调控二维过渡金属碳化物/碳氮化物(MXenes)原子层的弯曲刚度使其在快速形变过程中有序卷曲,成功构建出一系列由层间氢键耦合的MXene非范德华超晶格材料(如图1所示)。与传统依赖弱范德华作用的超晶格不同,这类氢键型非范德华超晶格展现出强烈的层间电子耦合作用,其载流子浓度高达1022 cm-3,电导率达30000 S cm-1,为传统二维MXene的20倍以上。同时,在电磁屏蔽性能方面,该类MXene非范德华超晶格薄膜实现了124 dB的屏蔽效能,优于目前所有已知的同厚度电磁屏蔽材料。该项研究突破了传统二维范德华超晶格的局限,开辟了构筑新型非范德华超晶格材料、探索新物性与新功能的全新研究方向。

图1:非范德华超晶格的制备与形成机制。

突破传统范德华超晶格,创制新型非范德华超晶格具有里程碑意义:

1)材料体系突破:传统超晶格材料多以二维范德华材料作为基本构筑单元,依靠层间较弱的范德华作用力实现组装,导致其层间调控能量显著偏低,因而容易受到环境热扰动和结构无序性的影响。该新型非范德华超晶格通过氢键实现层间耦合,并在层间构建了导电网络通道,从而赋予材料以强电子耦合特性(如图2所示)。创制非范德华超晶格材料,突破了传统二维范德华超晶格体系的固有局限,为探索新物性与开发新功能提供了全新的材料平台。

图2:非范德华超晶格的原子结构与电子结构。

2)新奇物性:由于层间氢键耦合作用,非范德华超晶格表现出强的电子耦合和高载流子浓度,从而展现出约30000 S cm-1的高电导率和独特的正向线性磁阻行为(如图3所示)。得益于其强氢键耦合机制,该类非范德华超晶格表现出与传统范德华体系截然不同的无角度依赖特性—在不同扭转角度下均能保持超高的电导率。这一特性突破了传统范德华超晶格对特定堆叠角度依赖且难以合成控制的限制,有力地推动了非范德华人工超晶格的研究,为实现具有超高电导、室温铁磁性及角度鲁棒性等新奇物性开辟了新道路。

图3:非范德华超晶格的电/磁输运性质。

3)应用性能突破:基于超高电导率和独特卷曲结构,MXene非范德华超晶格薄膜在X波段(8.2-12.4 GHz)展示出卓越的电磁屏蔽性能(124 dB,40 μm),超越了目前所有同厚度电磁屏蔽材料。其绝对屏蔽效能(SSE/t)更是高达200000 dB cm2 g-1(如图4所示),分别为MXene纳米片薄膜和金属铜箔的10倍与25倍。该项突破显著推动了高性能电磁屏蔽材料的发展,为下一代柔性电子器件、航空航天及移动通信设备的电磁防护奠定了重要的材料基础。同时,非范德华超晶格材料和薄膜在电子、5G、6G通讯、能量存储和转化等领域具有广阔的应用前景。

图4:非范德华超晶格薄膜的超高电磁屏蔽性能。

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09649-w

 
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