二維元素金屬是指具有獨特二維結(jié)構(gòu)的金屬材料，因其在電子器件、傳感器和催化等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，成為了研究熱點。然而，二維元素金屬的開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是在實現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)的控制方面。由于大多數(shù)金屬的各向異性程度通常與其晶體對稱性有關(guān)，傳統(tǒng)金屬材料如銅在塊體形式下表現(xiàn)出較低的電導(dǎo)率各向異性，這限制了其在新型器件中的應(yīng)用。

有鑒于此，延世大學Wooyoung Shim團隊在Nature Synthesis期刊上發(fā)表了題為“Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets”的最新論文。研究人員提出了一種新穎的電沉積方法，通過受限的二維模板實現(xiàn)元素金屬納米片的合成，進而控制其晶粒取向。

這種方法能夠在陰極處實現(xiàn)異質(zhì)成核，并在微小的通道中定向生長金屬原子，形成各向異性微觀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，這些納米片表現(xiàn)出超高的面內(nèi)電導(dǎo)率各向異性，超過了10^3。此外，采用具有正交分離導(dǎo)電路徑的三端開關(guān)器件，其開關(guān)比超過10^4，顯著提高了電氣性能。

值得一提的是，3月前，韓國首爾延世大學Wooyoung Shim團隊以及韓國益川韓國陶瓷工程與技術(shù)研究院Jong-Young Kim教授等人合作在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為：“Cation-eutaxy-enabled III–V-derived van der Waals crystals as memristive semiconductors”的最新論文，引起了不小的關(guān)注！

（1）實驗首次提出了一種利用受限2D模板的電沉積方法，成功合成了具有對齊晶粒取向的元素金屬納米片，獲得了超過10^3的面內(nèi)電導(dǎo)率各向異性。

（2）實驗通過在小于臨界核尺寸的通道中進行異質(zhì)成核和定向生長，形成了各向異性的微觀結(jié)構(gòu)。這一過程導(dǎo)致所制備的鎳納米片展現(xiàn)出顯著的電學和結(jié)構(gòu)各向異性。

（3）研究表明，與傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管相比，采用具有正交分離導(dǎo)電路徑的三端器件實現(xiàn)了超過10^4的開關(guān)比，突顯了該方法在制造開關(guān)元件方面的潛力。

（4）此外，厚度依賴的電學特性分析顯示，納米片的厚度對其導(dǎo)電性和開關(guān)性能具有顯著影響，為未來開發(fā)高性能電子器件提供了新的思路。

圖 1：2D模板介導(dǎo)電沉積的工作原理和概念。

圖 2：2D模板介導(dǎo)的鎳納米片的結(jié)構(gòu)表征。

圖 3：2D模板介導(dǎo)的鎳納米片的電學和結(jié)構(gòu)各向異性

圖 4：2D模板介導(dǎo)的鎳納米片的厚度依賴電學特性和開關(guān)元件

圖 5：全金屬三端電氣開關(guān)的開關(guān)特性。

本研究揭示了異質(zhì)成核和生長的二維鎳金屬納米片的晶粒取向受限于成核空間的影響，這為理解和控制二維材料的電學性質(zhì)提供了重要見解。與傳統(tǒng)塊狀鎳相比，這些納米片表現(xiàn)出極高的各向異性電學特性，Gyy/Gxx比值超過103，這在目前已報道的二維金屬中是前所未有的。此外，研究中提出的模板介導(dǎo)電沉積方法，不僅能實現(xiàn)二維金屬的晶界對齊，還為電學開關(guān)元件的制造提供了新的途徑。這一方法的可擴展性，允許通過選擇不同的電鍍浴和二維模板組合，進一步推動了材料科學的發(fā)展。然而，本文也指出了當前技術(shù)在自由立納米片的集成和單層納米片均勻沉積方面面臨的挑戰(zhàn)，提示我們在未來的研究中需重點關(guān)注這些問題。

Kim, T., Seo, D., Kim, S. et al. Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets. Nat. Synth (2024).