研究背景
二维元素金属是指具有独特二维结构的金属材料，因其在电子器件、传感器和催化等领域的潜在应用，成为了研究热点。然而，二维元素金属的开发面临诸多挑战，尤其是在实现其微观结构的控制方面。由于大多数金属的各向异性程度通常与其晶体对称性有关，传统金属材料如铜在块体形式下表现出较低的电导率各向异性，这限制了其在新型器件中的应用。
成果简介
有鉴于此，延世大学Wooyoung Shim团队在Nature Synthesis期刊上发表了题为“Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets”的最新论文。研究人员提出了一种新颖的电沉积方法，通过受限的二维模板实现元素金属纳米片的合成，进而控制其晶粒取向。
这种方法能够在阴极处实现异质成核，并在微小的通道中定向生长金属原子，形成各向异性微观结构。研究结果表明，这些纳米片表现出超高的面内电导率各向异性，超过了10^3。此外，采用具有正交分离导电路径的三端开关器件，其开关比超过10^4，显著提高了电气性能。
值得一提的是，3月前，韩国首尔延世大学Wooyoung Shim团队以及韩国益川韩国陶瓷工程与技术研究院Jong-Young Kim教授等人合作在Nature Materials期刊上发表了题为：“Cation-eutaxy-enabled III–V-derived van der Waals crystals as memristive semiconductors”的最新论文，引起了不小的关注！
研究亮点
（1）实验首次提出了一种利用受限2D模板的电沉积方法，成功合成了具有对齐晶粒取向的元素金属纳米片，获得了超过10^3的面内电导率各向异性。
（2）实验通过在小于临界核尺寸的通道中进行异质成核和定向生长，形成了各向异性的微观结构。这一过程导致所制备的镍纳米片展现出显著的电学和结构各向异性。
（3）研究表明，与传统场效应晶体管相比，采用具有正交分离导电路径的三端器件实现了超过10^4的开关比，突显了该方法在制造开关元件方面的潜力。
（4）此外，厚度依赖的电学特性分析显示，纳米片的厚度对其导电性和开关性能具有显著影响，为未来开发高性能电子器件提供了新的思路。
图文解读
图 1：2D模板介导电沉积的工作原理和概念。
图 2：2D模板介导的镍纳米片的结构表征。
图 3：2D模板介导的镍纳米片的电学和结构各向异性
图 4：2D模板介导的镍纳米片的厚度依赖电学特性和开关元件
图 5：全金属三端电气开关的开关特性。
结论展望
本研究揭示了异质成核和生长的二维镍金属纳米片的晶粒取向受限于成核空间的影响，这为理解和控制二维材料的电学性质提供了重要见解。与传统块状镍相比，这些纳米片表现出极高的各向异性电学特性，Gyy/Gxx比值超过103，这在目前已报道的二维金属中是前所未有的。此外，研究中提出的模板介导电沉积方法，不仅能实现二维金属的晶界对齐，还为电学开关元件的制造提供了新的途径。这一方法的可扩展性，允许通过选择不同的电镀浴和二维模板组合，进一步推动了材料科学的发展。然而，本文也指出了当前技术在自由立纳米片的集成和单层纳米片均匀沉积方面面临的挑战，提示我们在未来的研究中需重点关注这些问题。
文献信息
Kim, T., Seo, D., Kim, S. et al. Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets. Nat. Synth (2024).