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《Nature》报道北航教授研究成果刷新同厚度人工材料世界纪录
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北航新闻网10月23日电（航宣）近日，北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌教授联合宫勇吉教授、汤沛哲教授和中国科学技术大学宋礼教授等，报道新型非范德华超晶格材料突破了传统超晶格均基于范德华二维材料的限制，刷新了同厚度人工材料的世界纪录。相关成果于2025年10月22日以全文Article的形式发表于《Nature》杂志，题目为“Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides”。 北京航空航天大学材料科学与工程学院赵麒博士为第一作者，北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌教授为通讯作者，北京航空航天大学材料科学与工程学院为第一单位。 超晶格材料是一类由石墨烯等二维材料按周期性堆叠构筑的新体系，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，目前主要集中于二维范德华超晶格体系，其层间依赖较弱的范德华作用，易受到环境波动的影响，且制备困难，严重制约了超晶格材料的发展与应用。 针对上述挑战，杨树斌教授团队创新性地提出了一种“刚度介导”合成策略，通过精准调控二维碳化物/碳氮化物原子层的弯曲刚度使其在快速形变过程中有序卷曲，构建出一系列由层间氢键耦合的非范德华超晶格材料（图1）。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层间电子耦合作用，载流子浓度高达1022 cm-3，电导率是传统二维MXene的22倍，达到30000 S cm-1。同时，该类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，刷新了同厚度人工材料的世界纪录。该项研究突破了传统二维范德华超晶格的局限，发展出构筑新型非范德华超晶格材料、探索新物性与新功能的新方向。 突破传统范德华超晶格限制，创制出非范德华超晶格具有重要意义： ●材料体系突破：传统人工超晶格以二维范德华材料为基本构筑单元，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低，易受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，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（图2）。该类非范德华超晶格材料有效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 ●新奇物性探索：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的载流子浓度，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（图3）。同时，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的限制，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 ●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 cm2g-1（图4），分别为MXene纳米片薄膜和金属铜箔的10倍与25倍。因此，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 该研究工作得到国家自然科学基金青年基金A类项目（52125207）、国家自然科学基金委项目（52072014, 52202204等）、国家重大基础研究发展项目（2024YFA1409100）及中国博士后国家资助计划（GZC20252778）等项目的资助。该项研究工作也得到了北航分析测试中心物理性质表征平台、北京同步辐射装置以及中国合肥国家同步辐射实验室在表征与测试方面的大力支持，以及和创联合科技有限公司的电磁屏蔽测试支持。 |
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