Исследовательский контекст

В условиях обострения глобальной технологической конкуренции и стремительной эволюции индустрии информационных технологий высокопроизводительные электронные материалы превратились в ключевую сферу стратегической конкуренции на национальном уровне. Существующие электронные материалы сталкиваются с серьёзными техническими ограничениями: традиционные сверхрешётки, основанные на ван-дер-ваальсовых взаимодействиях, из‑за слабой межфазной связи не способны удовлетворить насущные требования передовых областей — таких как связь 5G/6G, искусственный интеллект и квантовые вычисления — в отношении сверхвысокой эффективности электромагнитного экранирования и предельно высокой электропроводности. В Китае по‑прежнему сохраняется проблема «узких мест» в сфере высокотехнологичных электронных материалов; особенно выражена зависимость от зарубежных поставок базовых материалов для передовой полупроводниковой промышленности, что ставит под угрозу безопасность производственной цепочки.

Разработка инновационных материалов, таких как сверхрешётки, основанные на неквантовых взаимодействиях типа Ван-дер‑Ваальса, имеет важное стратегическое значение. Благодаря стратегии укладки с регулируемой жёсткостью и межслойным водородным связям эти материалы преодолевают пределы свойств традиционных материалов, достигая электромагнитной экранирующей эффективности 124 дБ и сверхвысокой электропроводности 30 000 См/см, что открывает новые пути для решения ключевых материальных проблем страны в области высокотехнологичных электронных устройств, аэрокосмической отрасли и обеспечения национальной безопасности. Ускоренное развитие фундаментальных исследований и промышленного производства подобных перспективных материалов обладает незаменимой стратегической ценностью для формирования в Китае независимой и контролируемой системы передовых электронных материалов и достижения научно‑технической самостоятельности и самодостаточности.

В ответ на указанные выше проблемы команда, объединяющая Пекинский университет авиации и космонавтики с Университетом Хьюстона и другими учреждениями, провела углублённое исследование с использованием системы in situ‑измерений в ТЭМ компании «ZEPTOOLS». Благодаря стратегии укладки, позволяющей регулировать жёсткость, исследователям удалось создать нековалентные сверхрешётки карбидов и карбонитридов, связанные межслойными водородными связями, что обеспечило сверхвысокую электропроводность — 30 000 См/см — и выдающиеся показатели электромагнитной экранировки — 124 дБ. Этот прорыв был опубликован в одном из ведущих международных журналов «Nature», что подчёркивает научную значимость и высокий уровень инноваций данного исследования.

Заголовок: Неван-дер-Ваальсовы сверхрешётки карбидов и карбонитридов
Журнал: Природа
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1038/s41586-025-09649-w

Инновационная стратегия синтеза неперекрывающихся ван-дер-ваальсовых сверхрешёток

Исследовательская группа успешно разработала синтетический метод, основанный на стратегии регулирования жёсткости и укладки слоёв, что позволило создать невандерваальсовские сверхрешётки карбидов и карбонитридов. Суть этого метода заключается в том, чтобы путём формирования металлических вакансий в слоях MX‑фазы настраивать изгибную жёсткость атомных слоёв, что при воздействии высокоэффективных отщепляющих агентов, таких как тетрабутилфосфиноксид (TBPH), приводит к упорядоченному сворачиванию этих слоёв. В отличие от традиционных вандерваальсовых сверхрешёток, новая структура связана межслойными водородными связями, что обеспечивает сильное межфазовое электронное взаимодействие. На сегодняшний день удалось успешно синтезировать 17 сверхрешёток из МХеней различного состава — карбидов и карбонитридов на основе ванадия, титана, ниобия и тантала, что создаёт богатую материальную платформу для искусственных систем многослойной укладки.

Сверхвысокая электропроводность и необычные транспортные свойства

Неван‑ван‑дер‑ваальсовская сверхрешётка V₂CTₓ демонстрирует выдающиеся электрические свойства: удельная проводимость отдельной наноструктуры достигает 30 000 См·см⁻¹, что в 22 раза превышает соответствующее значение для нанопластин (около 1 400 См·см⁻¹). Такая необычно высокая проводимость обусловлена чрезвычайно высокой концентрацией носителей заряда — порядка 10²² см⁻³, что на два порядка выше, чем в нанопластинках V₂CTₓ. Для глубокого изучения взаимосвязи между углом скручивания и электронными свойствами исследовательская группа использовала электрический чип‑стержень FEI компании Зэюй, благодаря чему в ТЭМ удалось точно выявить отдельные сверхрешётки с заданным углом скручивания и изготовить четырёхконтактные устройства. Этот метод in situ‑характеризации показал, что сверхрешётки с различными углами скручивания (1,8°–9,0°) сохраняют сверхвысокую электропроводность (27 000–35 000 См·см⁻¹), что подтверждает структурную стабильность, обусловленную водородными связями.

Рекордные показатели электромагнитной защиты

Благодаря сверхвысокой электропроводности и уникальной изогнутой структуре, не‑ван‑дер‑ваальсовская сверхрешётка V₂CTₓ демонстрирует выдающиеся характеристики в области экранирования электромагнитных помех (EMI). Слой сверхрешётки толщиной 40 мкм с произвольным распределением обеспечивает уровень экранирования 119 дБ в X‑диапазоне (8,2–12,4 ГГц), что позволяет задерживать 99,99999999987% падающего излучения. Путём дальнейшей оптимизации структуры исследовательская группа разработала многослойную плёнку со средним ориентированным слоем и случайными слоями по обеим сторонам, повысив эффективность экранирования до 124 дБ — рекордного значения для синтетических материалов такой же толщины. Абсолютная эффективность экранирования (SSE/t) этого материала достигает 200 000 дБ·см²/г⁻¹, что соответственно в 10, 3 и 25 раз превышает показатели нанослойных плёнок, MXene на основе Ti и медной фольги, открывая новые перспективы для создания следующего поколения лёгких и высокоэффективных материалов для экранирования электромагнитных полей.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использовавшееся в рамках данного исследования: