研究背景
二維（2D）金屬材料是近年來備受關注的研究對象，其因在納米電子學、光電器件和能源存儲等領域的潛在應用而受到重視。與傳統的三維金屬材料相比，2D元素金屬具有更高的比表面積和獨特的電學性質，這使得它們在催化、傳感器和超薄電子器件等方面展現出獨特優勢。然而，2D元素金屬的實際應用仍面臨著諸如微觀結構不均勻性和電導率低等問題，這些問題限制了其性能的提升和實用化。因此，如何有效控制其微觀結構，以提高其各向異性和電學性能，成為了當前研究的主要挑戰。近日，來自延世大學Wooyoung Shim團隊在2D元素金屬的制備和性能優化方面取得了新進展。該團隊設計了一種新的電沉積方法，利用受限的2D模板實現了具有對齊晶粒取向的鎳納米片的合成。這一創新方法不僅成功提高了鎳納米片的面內電導率各向異性，達到超過103的水平，還在開關性能上取得了顯著進展，實現了開關比超過104的三端開關器件。通過對電沉積過程中異質成核和定向生長的深入研究，團隊顯著提升了鎳納米片的電學性能，并成功獲取了各向異性電學特性。該研究不僅為2D元素金屬的性能提升提供了新思路，也為后續在納米電子學和其他相關領域的應用奠定了基礎。這一工作展示了受限模板在微觀結構控制中的潛力，為未來2D材料的開發和應用開辟了新的路徑。以上成果在“Nature Synthesis”期刊上發表了題為“Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets”的最新論文。
研究亮點
（1）實驗首次采用2D模板介導的電沉積方法合成了具有對齊晶粒取向的元素金屬納米片，獲得了超過103的高面內電導率各向異性。這種方法利用了受限的通道來控制金屬原子的異質成核和生長，從而形成了各向異性微觀結構。（2）實驗通過調節通道尺寸和模板的設計，成功地引導金屬原子的定向生長，顯著提高了納米片的電學性能。與傳統的場效應晶體管相比，基于此方法制備的器件實現了超過104的開關比，展示了其作為開關元件的潛力。（3）研究還表明，這些納米片的厚度對其電學特性有顯著影響，厚度的變化直接影響了開關性能和電導率。這些成果不僅為二維元素金屬的應用開辟了新途徑，也為微觀結構控制和電學特性調節提供了新的思路。
圖文解讀
圖 1：2D模板介導電沉積的工作原理和概念。
圖 2：2D模板介導的鎳納米片的結構表征。
圖 3：2D模板介導的鎳納米片的電學和結構各向異性。
圖 4：2D模板介導的鎳納米片的厚度依賴電學特性和開關元件。
圖 5：全金屬三端電氣開關的開關特性。
總結展望
本研究表明，異質成核和生長的2D鎳金屬納米片的晶粒取向由成核所允許的空間決定，因為空間限制的成核導致了晶粒的對齊。與塊體鎳不同，這些納米片展現出高度各向異性的電學特性，Gyy/Gxx比率超過10^3，這一各向異性水平超出了迄今為止報道的其他2D金屬。施加外部電壓激活了源極與垂直排水之間的電阻成分，實現了超過104的開關比。作者提出的模板介導電沉積方法通過晶界對齊實現各向異性2D金屬的制備，從而促進了電氣開關元件的制造。該方法可以通過重新選擇電鍍浴和2D模板的組合擴展到多種金屬。然而，一些挑戰依然存在，例如（1）在進一步集成功能器件時，自支撐納米片的橫向尺寸增大；（2）在制造單層納米片時，如何在沉積過程中均勻抑制2D模板。盡管存在這些限制，但通過引入連續的GO薄膜或具有更好晶體質量的2D模板，仍有改進的潛力。解決這些問題后，作者相信作者的方法可以適用于制備幾種在其塊體形式中未觀察到的2D金屬。 Kim, T., Seo, D., Kim, S. et al. Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets. Nat. Synth (2024).https://doi.org/10.1038/s44160-024-00669-4
