单层原子厚的石墨烯横空出世，标志着二维晶体作为一类可能影响未来电子技术发展的材料引发了世人的广泛关注。然而，二维石墨烯也拥有自己致命的缺陷——其电子结构中不具备能隙，大大限制了其使用范围。

    科学家们开始探索其他二维材料，与石墨烯一样拥有薄片状结构且能剥出单原子层厚度薄片的黑磷进入了他们的研究视线。经过一系列研究，科学家们认为，黑磷独特的属性不仅使其有望替代硅，用于制备晶体管，还可以用于制造其他高性能低成本的电子和光电设备。

    替换硅制备高性能晶体管

    “摩尔定律”指出，芯片上晶体管的尺寸不断缩小，数量每隔18个月便可增加一倍，芯片性能不断提升。在过去数十年里，各国科学家全力以赴，希望将更多晶体管集成到一块更小的芯片上。目前一块市售22纳米芯片上已包含十亿个晶体管，但这仍不能满足需求。此前业界曾有预言，晶体管能否继续“缩小”，已成为芯片产业发展的瓶颈所在，若不能有所突破，“摩尔定律”或行将就木。对此，各方争相攻关，探索将碳纳米管、石墨烯等新材料应用到晶体管中。

    然而，二维石墨烯的电子结构中不具备能隙，因而在电子学应用中不能实现电流的“开”和“关”，这就弱化了其取代硅的可能性。科学家们开始探索其他二维材料，希望可以克服石墨烯的缺陷，替代硅。他们提出了几种可能的材料，如单层硅、单层锗等，但这些材料在空气中都不稳定，不利于实际应用。

    随着研究的深入，黑磷进入了人们的视线。黑磷是磷的一种稳定的同素异形体，拥有与石墨烯一样的薄片状结构，很容易获得单原子层厚度的薄片——二维黑磷单晶（Phosphane），更重要的是，石墨烯有点像金属，但黑磷单晶天生就是半导体，它很容易被“打开”和“关闭”，因此，可以扮演半导体的角色，很好地实现电流的“开”和“关”。

    据物理学家组织网近日报道，为了观测电子在磷晶体管内如何移动，加拿大蒙特利尔大学和麦吉尔大学的研究人员将其放入加拿大国立高磁场实验室的一个磁场下进行观察，该实验室是全球最大且能量最强的磁实验室。研究人员发现，当电子在黑鳞晶体管内移动时，只会在两个维度移动，这表明，黑磷或可替换硅，用于制造更高效的晶体管，从而将更多晶体管集成在一块芯片上。

    麦吉尔大学电子和计算机工程系教授、该研究的主要作者托马斯·斯扎克佩克说：“为了降低晶体管的操作电压，减少产生的热量，我们必须让晶体管的厚度越来越纤薄，就目前来看，没有什么比单层原子更纤薄的了。”

    黑磷单晶也拥有很高的电子流动性，因此，可以用于制造高性能低成本的电子设备。除此之外，黑磷单晶还拥有另外一个更独特的属性：其与光之间的相互作用根据原子层数量的不同而不同。单层晶体将释放红光；而更厚的晶体则会释放红外线。这种变化使科学家们能用其制造多种光电设备，例如激光器或者探测器等。

    阻止其氧化是商用关键

    尽管二维单晶优点多多，但其也存在一个“阿喀琉斯之踵”，那就是当这种纤薄的单晶与周围环境接触时，很容易发生氧化降解，这一致命缺陷限制了其未来在工业领域的用途。

    最近，研究人员找到了阻止其降解的办法。物理学家组织网日前报道称，加拿大蒙特利尔大学、蒙特利尔综合理工学校以及法国国家科学研究院的研究人员组成的研究团队成功确定了导致黑磷单晶降解的物理学机制，并揪出了导致其氧化的“罪魁祸首”。

    该研究的领导者、蒙特利尔大学化学学院教授理查德·马特尔在《自然·材料学》杂志上撰文指出：“我们已经证明，二维黑磷单晶在与周围环境接触时候，会在氧气、水和光的联合作用下发生氧化。我们使用电子束光谱和拉曼光谱，对其氧化过程进行了详细的研究。”

    随后，研究人员研发出了一种有效的生产手段，来制造这种非常脆弱的黑磷单晶并让其“百毒不侵”。

    研究人员表示，此研究将帮助科学家们利用二维黑磷单晶非常特殊的性质，开发出新的纳米技术，最终制造出高性能的微处理器、激光器、太阳能电池等设备。

    尽管如此，斯扎克佩克指出，现在，我们还不知道如何大规模地制造出黑磷单晶，而且，距离其出现在商用电子设备中还有很长的路要走。