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登上《Nature》 | 泽攸科技原位TEM在非范德华碳化物与碳氮化物超晶格中的应用

发布时间：

2025-11-18

在当前全球科技竞争加剧和电子信息产业快速迭代的背景下，高性能电子材料已成为国家战略竞争的核心领域。现有电子材料面临严重技术瓶颈：传统范德华力超晶格因界面耦合弱，难以满足5G/6G通信、人工智能和量子计算等前沿领域对超高电磁屏蔽效能和极致电导率的迫切需求。我国在高端电子材料领域仍存在"卡脖子"问题，尤其在先进半导体基础材料方面对外依存度高，制约产业链安全。

研究背景

发展非范德华力超晶格等创新材料体系具有重大战略意义。这类材料通过刚度调节的卷曲策略和层间氢键结合，突破了传统材料的性能极限，可实现124 dB的电磁屏蔽效果和30,000 S cm⁻¹的超高电导率，为解决国家在高端电子器件、航空航天和国防安全领域的材料瓶颈提供全新路径。加速布局此类前沿材料的基础研究与产业化，对构建我国自主可控的先进电子材料体系、实现科技自立自强具有不可替代的战略价值。

针对上述问题，由北京航空航天大学联合休斯顿大学等组成的团队，利用泽攸科技原位TEM测量系统进行了深入研究，该团队通过刚度调节的卷曲策略成功构建了具有层间氢键结合的碳化物和碳氮化物非范德华超晶格，实现了30000 S cm⁻¹超高电导率和124dB卓越电磁屏蔽性能，这一突破性成果发表于国际顶级期刊《Nature》，彰显了该研究的科学价值与创新高度。

标题：Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides
期刊：Nature
网址：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09649-w

非范德华超晶格的创新合成策略

研究团队成功开发了一种基于刚度调节卷曲策略的合成方法，实现了碳化物和碳氮化物非范德华超晶格的构建。该方法的核心在于通过在MX层中创建金属空位来定制原子层的弯曲刚度，从而在四丁基膦氢氧化物(TBPH)等高效剥离剂作用下触发原子层的有序卷曲。与传统范德华超晶格不同，这种新型结构通过层间氢键结合，实现了强界面电子耦合。目前已成功制备17种不同组成的MXene超晶格，包括V、Ti、Nb和Ta基碳化物和碳氮化物，为人工堆叠体系提供了丰富的材料平台。

超高电导率与异常输运特性

V₂CTₓ非范德华超晶格展现出卓越的电学性能，单根超晶格的电导率高达30,000 S cm⁻¹，是对应纳米片(约1,400 S cm⁻¹)的22倍。这种异常高的电导率主要源于超晶格中高达10²² cm⁻³的载流子浓度，比V₂CTₓ纳米片高出两个数量级。为深入探究扭曲角与电子特性的关系，研究团队采用泽攸科技的FEI电学芯片杆，在TEM中精准识别特定扭曲角的单个超晶格并制备四端器件。这种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电导率(27,000-35,000 S cm⁻¹)，证明了氢键结合带来的结构稳定性。

创纪录的电磁屏蔽性能

凭借超高电导率和独特的卷曲结构，V₂CTₓ非范德华超晶格在电磁干扰(EMI)屏蔽领域展现出卓越性能。40微米厚的随机分布超晶格薄膜在X波段(8.2-12.4 GHz)实现了119 dB的屏蔽效能，可阻挡99.99999999987%的入射辐射。通过进一步优化结构，研究团队设计了具有中间定向层和两侧随机层的夹层薄膜，将屏蔽效能提升至124 dB，创下了同厚度合成材料的最高纪录。该材料的绝对屏蔽效能(SSE/t)达到200,000 dB cm² g⁻¹，分别是纳米片薄膜、Ti基MXene和铜箔的10倍、3倍和25倍，为下一代轻量化高效电磁屏蔽材料开辟了新途径。

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM产品：