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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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《Nature》報(bào)道北航教授研究成果刷新同厚度人工材料世界紀(jì)錄
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北航新聞網(wǎng)10月23日電（航宣）近日，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊樹斌教授聯(lián)合宮勇吉教授、湯沛哲教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宋禮教授等，報(bào)道新型非范德華超晶格材料突破了傳統(tǒng)超晶格均基于范德華二維材料的限制，刷新了同厚度人工材料的世界紀(jì)錄。相關(guān)成果于2025年10月22日以全文Article的形式發(fā)表于《Nature》雜志，題目為“Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides”。 北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙麒博士為第一作者，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊樹斌教授為通訊作者，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為第一單位。 超晶格材料是一類由石墨烯等二維材料按周期性堆疊構(gòu)筑的新體系，具有超導(dǎo)、鐵磁與拓?fù)浣^緣態(tài)等一系列獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在電子器件、能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前主要集中于二維范德華超晶格體系，其層間依賴較弱的范德華作用，易受到環(huán)境波動(dòng)的影響，且制備困難，嚴(yán)重制約了超晶格材料的發(fā)展與應(yīng)用。 針對(duì)上述挑戰(zhàn)，楊樹斌教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種“剛度介導(dǎo)”合成策略，通過精準(zhǔn)調(diào)控二維碳化物/碳氮化物原子層的彎曲剛度使其在快速形變過程中有序卷曲，構(gòu)建出一系列由層間氫鍵耦合的非范德華超晶格材料（圖1）。與傳統(tǒng)依賴弱范德華作用的超晶格不同，這類氫鍵型非范德華超晶格展現(xiàn)出強(qiáng)層間電子耦合作用，載流子濃度高達(dá)1022 cm-3，電導(dǎo)率是傳統(tǒng)二維MXene的22倍，達(dá)到30000 S cm-1。同時(shí)，該類非范德華超晶格薄膜實(shí)現(xiàn)了124 dB的屏蔽效能，優(yōu)于目前所有已知的同厚度電磁屏蔽材料，刷新了同厚度人工材料的世界紀(jì)錄。該項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)二維范德華超晶格的局限，發(fā)展出構(gòu)筑新型非范德華超晶格材料、探索新物性與新功能的新方向。 突破傳統(tǒng)范德華超晶格限制，創(chuàng)制出非范德華超晶格具有重要意義： ●材料體系突破：傳統(tǒng)人工超晶格以二維范德華材料為基本構(gòu)筑單元，依靠層間較弱的范德華作用力實(shí)現(xiàn)組裝，導(dǎo)致其層間調(diào)控能量低，易受環(huán)境熱擾動(dòng)和結(jié)構(gòu)無序性的影響。該新型非范德華超晶格通過氫鍵實(shí)現(xiàn)層間耦合，在層間構(gòu)建了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通道，從而賦予材料以強(qiáng)電子耦合特性（圖2）。該類非范德華超晶格材料有效突破了傳統(tǒng)二維范德華超晶格體系的固有局限，為探索新物性與開發(fā)新功能提供了全新的材料平臺(tái)。 圖2. 非范德華超晶格的原子結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu) ●新奇物性探索：由于層間氫鍵耦合作用，非范德華超晶格表現(xiàn)出強(qiáng)的電子耦合和高的載流子濃度，從而展現(xiàn)出約30000 S cm-1的高電導(dǎo)率和獨(dú)特的正向線性磁阻行為（圖3）。同時(shí)，得益于其強(qiáng)氫鍵耦合機(jī)制，該類非范德華超晶格表現(xiàn)出與傳統(tǒng)范德華體系截然不同的無角度依賴特性——在不同扭轉(zhuǎn)角度下均能保持超高的電導(dǎo)率。這一特性突破了傳統(tǒng)范德華超晶格對(duì)特定堆疊角度依賴的限制，為實(shí)現(xiàn)具有超高電導(dǎo)、室溫鐵磁性及角度魯棒性等新奇物性開辟了新道路。 圖3. 非范德華超晶格的電/磁輸運(yùn)性質(zhì) ●應(yīng)用性能突破：基于超高電導(dǎo)率和獨(dú)特卷曲結(jié)構(gòu)，MXene非范德華超晶格薄膜在X波段（8.2-12.4 GHz）展示出卓越的電磁屏蔽性能（124 dB，40 μm），超越了目前所有同厚度電磁屏蔽材料。其絕對(duì)屏蔽效能（SSE/t）更是高達(dá)200000 dB cm2g-1（圖4），分別為MXene納米片薄膜和金屬銅箔的10倍與25倍。因此，非范德華超晶格材料和薄膜在電子、5G、6G通訊、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 圖4. 非范德華超晶格薄膜的超高電磁屏蔽性能 該研究工作得到國家自然科學(xué)基金青年基金A類項(xiàng)目（52125207）、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目（52072014, 52202204等）、國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展項(xiàng)目（2024YFA1409100）及中國博士后國家資助計(jì)劃（GZC20252778）等項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)研究工作也得到了北航分析測(cè)試中心物理性質(zhì)表征平臺(tái)、北京同步輻射裝置以及中國合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室在表征與測(cè)試方面的大力支持，以及和創(chuàng)聯(lián)合科技有限公司的電磁屏蔽測(cè)試支持。 |
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