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

有鑒于此，延世大學Wooyoung Shim團隊在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異質成核，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構。研究結果表明，這些納米片表現出超高的面內電導率各向異性，超過了10^3。此外，采用具有正交分離導電路徑的三端開關器件，其開關比超過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研究院Jong-Young Kim教授等人合作在Nature Materials期刊上發表了題為：“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的面內電導率各向異性。

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

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

（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電性和開關性能具有顯著影響，為未來開發高性能電子器件提供了新的思路。

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。

本研究揭示了異質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提供了重要見解。與傳統塊狀鎳相比，這些納米片表現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電沉積方法，不僅能實現二維金屬的晶界對齊，還為電學開關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展。然而，本文也指出了當前技術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，提示我們在未來的研究中需重點關注這些問題。

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