研究背景

在當前全球科技競爭加劇和電子信息產業快速迭代的背景下，高性能電子材料已成為國家戰略競爭的核心領域。現有電子材料面臨嚴重技術瓶頸：傳統范德華力超晶格因界面耦合弱，難以滿足5G/6G通信、人工智能和量子計算等前沿領域對超高電磁屏蔽效能和極致電導率的迫切需求。我國在高端電子材料領域仍存在"卡脖子"問題，尤其在先進半導體基礎材料方面對外依存度高，制約產業鏈安全。

發展非范德華力超晶格等創新材料體系具有重大戰略意義。這類材料通過剛度調節的卷曲策略和層間氫鍵結合，突破了傳統材料的性能極限，可實現124 dB的電磁屏蔽效果和30,000 S cm?1的超高電導率，為解決國家在高端電子器件、航空航天和國防安全領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研究與產業化，對構建我國自主可控的先進電子材料體系、實現科技自立自強具有不可替代的戰略價值。

針對上述問題，由北京航空航天大學聯合休斯頓大學等組成的團隊，利用澤攸科技原位TEM測量系統進行了深入研究，該團隊通過剛度調節的卷曲策略成功構建了具有層間氫鍵結合的碳化物和碳氮化物非范德華超晶格，實現了30000 S cm?1超高電導率和124dB卓越電磁屏蔽性能，這一突破性成果發表于國際頂級期刊《Nature》，彰顯了該研究的科學價值與創新高度。

標題：Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides

期刊：Nature

網址：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09649-w

非范德華超晶格的創新合成策略

研究團隊成功開發了一種基于剛度調節卷曲策略的合成方法，實現了碳化物和碳氮化物非范德華超晶格的構建。該方法的核心在于通過在MX層中創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原子層的有序卷曲。與傳統范德華超晶格不同，這種新型結構通過層間氫鍵結合，實現了強界面電子耦合。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制

圖2 非范德華超晶格的原子結構與電子結構

超高電導率與異常輸運特性

V?CT?非范德華超晶格展現出卓越的電學性能，單根超晶格的電導率高達30,000 S cm?1，是對應納米片(約1,400 S cm?1)的22倍。這種異常高的電導率主要源于超晶格中高達1022 cm?3的載流子濃度，比V?CT?納米片高出兩個數量級。為深入探究扭曲角與電子特性的關系，研究團隊采用澤攸科技的FEI電學芯片桿，在TEM中精準識別特定扭曲角的單個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率(27,000-35,000 S cm?1)，證明了氫鍵結合帶來的結構穩定性。

圖3 非范德華超晶格的電/磁輸運性質

創紀錄的電磁屏蔽性能

憑借超高電導率和獨特的卷曲結構，V?CT?非范德華超晶格在電磁干擾(EMI)屏蔽領域展現出卓越性能。40微米厚的隨機分布超晶格薄膜在X波段(8.2-12.4 GHz)實現了119 dB的屏蔽效能，可阻擋99.99999999987%的入射輻射。通過進一步優化結構，研究團隊設計了具有中間定向層和兩側隨機層的夾層薄膜，將屏蔽效能提升至124 dB，創下了同厚度合成材料的最高紀錄。該材料的絕對屏蔽效能(SSE/t)達到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，陸續為國內外用戶的重磅研究成果提供了技術支持。