镍纳米片合成，登上Nature Synthesis！
学术
2024-11-06 08:44
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研究背景
二维（2D）金属材料是近年来备受关注的研究对象，其因在纳米电子学、光电器件和能源存储等领域的潜在应用而受到重视。与传统的三维金属材料相比，2D元素金属具有更高的比表面积和独特的电学性质，这使得它们在催化、传感器和超薄电子器件等方面展现出独特优势。然而，2D元素金属的实际应用仍面临着诸如微观结构不均匀性和电导率低等问题，这些问题限制了其性能的提升和实用化。因此，如何有效控制其微观结构，以提高其各向异性和电学性能，成为了当前研究的主要挑战。近日，来自延世大学Wooyoung Shim团队在2D元素金属的制备和性能优化方面取得了新进展。该团队设计了一种新的电沉积方法，利用受限的2D模板实现了具有对齐晶粒取向的镍纳米片的合成。这一创新方法不仅成功提高了镍纳米片的面内电导率各向异性，达到超过103的水平，还在开关性能上取得了显著进展，实现了开关比超过104的三端开关器件。通过对电沉积过程中异质成核和定向生长的深入研究，团队显著提升了镍纳米片的电学性能，并成功获取了各向异性电学特性。该研究不仅为2D元素金属的性能提升提供了新思路，也为后续在纳米电子学和其他相关领域的应用奠定了基础。这一工作展示了受限模板在微观结构控制中的潜力，为未来2D材料的开发和应用开辟了新的路径。以上成果在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Anomalous in-plane electrical anisotropy in elemental metal nanosheets”的最新论文。 研究亮点
（1）实验首次采用2D模板介导的电沉积方法合成了具有对齐晶粒取向的元素金属纳米片，获得了超过103的高面内电导率各向异性。这种方法利用了受限的通道来控制金属原子的异质成核和生长，从而形成了各向异性微观结构。（2）实验通过调节通道尺寸和模板的设计，成功地引导金属原子的定向生长，显著提高了纳米片的电学性能。与传统的场效应晶体管相比，基于此方法制备的器件实现了超过104的开关比，展示了其作为开关元件的潜力。（3）研究还表明，这些纳米片的厚度对其电学特性有显著影响，厚度的变化直接影响了开关性能和电导率。这些成果不仅为二维元素金属的应用开辟了新途径，也为微观结构控制和电学特性调节提供了新的思路。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。
总结展望
本研究表明，异质成核和生长的2D镍金属纳米片的晶粒取向由成核所允许的空间决定，因为空间限制的成核导致了晶粒的对齐。与块体镍不同，这些纳米片展现出高度各向异性的电学特性，Gyy/Gxx比率超过10^3，这一各向异性水平超出了迄今为止报道的其他2D金属。施加外部电压激活了源极与垂直排水之间的电阻成分，实现了超过104的开关比。作者提出的模板介导电沉积方法通过晶界对齐实现各向异性2D金属的制备，从而促进了电气开关元件的制造。该方法可以通过重新选择电镀浴和2D模板的组合扩展到多种金属。然而，一些挑战依然存在，例如（1）在进一步集成功能器件时，自支撑纳米片的横向尺寸增大；（2）在制造单层纳米片时，如何在沉积过程中均匀抑制2D模板。尽管存在这些限制，但通过引入连续的GO薄膜或具有更好晶体质量的2D模板，仍有改进的潜力。解决这些问题后，作者相信作者的方法可以适用于制备几种在其块体形式中未观察到的2D金属。 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 纳米人学术QQ交流群
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