單層原子厚的石墨烯橫空出世，標誌著二維晶體作為一類可能影響未來電子技術發展的材料引發了世人的廣泛關注。然而，二維石墨烯也擁有自己致命的缺陷——其電子結構中不具備能隙，大大限制了其使用範圍。

　　科學家們開始探索其他二維材料，與石墨烯一樣擁有薄片狀結構且能剝出單原子層厚度薄片的黑磷進入了他們的研究視線。經過一系列研究，科學家們認為，黑磷獨特的屬性不僅使其有望替代硅，用於製備電晶體，還可以用於製造其他高性能低成本的電子和光電設備。

　　 替換硅製備高性能電晶體

　　“摩爾定律”指出，晶片上電晶體的尺寸不斷縮小，數量每隔18個月便可增加一倍，晶片性能不斷提升。在過去數十年裏，各國科學家全力以赴，希望將更多電晶體整合到一塊更小的晶片上。目前一塊市售22奈米晶片上已包含十億個電晶體，但這仍不能滿足需求。此前業界曾有預言，電晶體能否繼續“縮小”，已成為晶片産業發展的瓶頸所在，若不能有所突破，“摩爾定律”或行將就木。對此，各方爭相攻關，探索將碳奈米管、石墨烯等新材料應用到電晶體中。

　　然而，二維石墨烯的電子結構中不具備能隙，因而在電子學應用中不能實現電流的“開”和“關”，這就弱化了其取代硅的可能性。科學家們開始探索其他二維材料，希望可以克服石墨烯的缺陷，替代硅。他們提出了幾種可能的材料，如單層硅、單層鍺等，但這些材料在空氣中都不穩定，不利於實際應用。

　　隨著研究的深入，黑磷進入了人們的視線。黑磷是磷的一種穩定的同素異形體，擁有與石墨烯一樣的薄片狀結構，很容易獲得單原子層厚度的薄片——二維黑磷單晶（Phosphane），更重要的是，石墨烯有點像金屬，但黑磷單晶天生就是半導體，它很容易被“打開”和“關閉”，因此，可以扮演半導體的角色，很好地實現電流的“開”和“關”。

　　據物理學家組織網近日報道，為了觀測電子在磷電晶體內如何移動，加拿大蒙特利爾大學和麥吉爾大學的研究人員將其放入加拿大國立高磁場實驗室的一個磁場下進行觀察，該實驗室是全球最大且能量最強的磁實驗室。研究人員發現，當電子在黑鱗電晶體內移動時，只會在兩個維度移動，這表明，黑磷或可替換硅，用於製造更高效的電晶體，從而將更多電晶體整合在一塊晶片上。

　　麥吉爾大學電子和電腦工程系教授、該研究的主要作者托馬斯·斯扎克佩克説：“為了降低電晶體的操作電壓，減少産生的熱量，我們必須讓電晶體的厚度越來越纖薄，就目前來看，沒有什麼比單層原子更纖薄的了。”

　　黑磷單晶也擁有很高的電子流動性，因此，可以用於製造高性能低成本的電子設備。除此之外，黑磷單晶還擁有另外一個更獨特的屬性：其與光之間的相互作用根據原子層數量的不同而不同。單層晶體將釋放紅光；而更厚的晶體則會釋放紅外線。這種變化使科學家們能用其製造多種光電設備，例如鐳射器或者探測器等。

　　阻止其氧化是商用關鍵

　　儘管二維單晶優點多多，但其也存在一個“阿喀琉斯之踵”，那就是當這種纖薄的單晶與周圍環境接觸時，很容易發生氧化降解，這一致命缺陷限制了其未來在工業領域的用途。

　　最近，研究人員找到了阻止其降解的辦法。物理學家組織網日前報道稱，加拿大蒙特利爾大學、蒙特利爾綜合理工學校以及法國國家科學研究院的研究人員組成的研究團隊成功確定了導致黑磷單晶降解的物理學機制，並揪出了導致其氧化的“罪魁禍首”。

　　該研究的領導者、蒙特利爾大學化學學院教授理查德·馬特爾在《自然·材料學》雜誌上撰文指出：“我們已經證明，二維黑磷單晶在與周圍環境接觸時候，會在氧氣、水和光的聯合作用下發生氧化。我們使用電子束光譜和拉曼光譜，對其氧化過程進行了詳細的研究。”

　　隨後，研究人員研發出了一種有效的生産手段，來製造這種非常脆弱的黑磷單晶並讓其“百毒不侵”。

　　研究人員表示，此研究將幫助科學家們利用二維黑磷單晶非常特殊的性質，開發出新的奈米技術，最終製造出高性能的微處理器、鐳射器、太陽能電池等設備。

　　儘管如此，斯扎克佩克指出，現在，我們還不知道如何大規模地製造出黑磷單晶，而且，距離其出現在商用電子設備中還有很長的路要走。