北京航空航天大學最新Nature

人工超晶格由石墨烯等原子層通過逐層周期堆疊或順序外延生長構建而成，已成為開發性能超越現有材料的新材料的多功能平臺。然而，所探索的超晶格主要是范德華（vdW）超晶格，受到弱界面耦合的約束。

2025年10月22日，北京航空航天大學楊樹斌團隊在Nature在線發表題為“Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides”的研究論文，該研究提出了一種有效的合成方案，該方案實現了碳化物和碳氮化物的非vdW超晶格家族，通過剛度介導的卷起策略在層之間進行氫鍵。

關鍵步驟是通過在MX板中產生金屬空位來定制源自MAX相的原子層的彎曲剛度，從而在快速彎曲變形下觸發它們有序卷起。與vdW超晶格不同，具有氫鍵的非vdW超晶格具有高濃度的電荷載流子（1022cm?3)。因此，超晶格表現出約30,000 S cm?1的顯著電導率，大約是同行的22倍。當用于電磁干擾屏蔽時，最佳非vdW超晶格薄膜表現出 124 dB的顯著屏蔽效果，超過了任何具有類似厚度的已知合成材料。非vdW超晶格預計將顯著拓寬材料平臺，為人工堆疊系統的新發展提供可變成分和晶體結構。

自從石墨烯掀起二維材料革命以來，科學家們便希望通過“層層堆疊”的人工超晶格，實現超越天然晶體的全新性能。然而，現有超晶格幾乎都依賴范德華（vdW）作用力連接層間結構，這種弱耦合限制了電荷傳輸和能量調控，使得超晶格的潛能難以完全釋放。為實現真正意義上的強界面耦合結構，研究者們嘗試突破vdW體系的束縛，但如何在非范德華（non-vdW）體系中構建有序層狀結構、并兼顧高導電性與結構穩定性，仍是材料科學的一大難題。

超晶格材料是一類由石墨烯等二維材料按周期性堆疊構筑的新體系，具有超導、鐵磁與拓撲絕緣態等一系列獨特的物理化學性質，在電子器件、能量存儲等領域展現出廣闊的應用前景。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，易受到環境波動的影響，且制備困難，嚴重制約了超晶格材料的發展與應用。

非范德華超晶格的制備與形成機制（圖源自Nature）

該研究提出一種 “剛度調控卷曲（stiffness-mediated rolling-up）”策略，在MXene層中引入金屬空位，觸發原子層在溶液中自發卷曲，形成具有氫鍵相互作用的強耦合超晶格。這種獨特結構不僅實現了高達3×10? S cm?1的超高電導率（約為常規MXene的22倍），還在電磁屏蔽中表現出124 dB的屏蔽效能——刷新了同厚度人工材料的世界紀錄。該研究首次將“氫鍵耦合”引入非vdW層狀體系，為二維材料的組裝提供了新的化學維度，也為電子、航空和通信領域的高性能材料開辟了全新方向。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09649-w