單層原子厚的石墨烯橫空出世，標(biāo)志著二維晶體作為一類可能影響未來(lái)電子技術(shù)發(fā)展的材料引發(fā)了世人的廣泛關(guān)注。然而，二維石墨烯也擁有自己致命的缺陷——其電子結(jié)構(gòu)中不具備能隙，大大限制了其使用范圍。

　　科學(xué)家們開始探索其他二維材料，與石墨烯一樣擁有薄片狀結(jié)構(gòu)且能剝出單原子層厚度薄片的黑磷進(jìn)入了他們的研究視線。經(jīng)過一系列研究，科學(xué)家們認(rèn)為，黑磷獨(dú)特的屬性不僅使其有望替代硅，用于制備晶體管，還可以用于制造其他高性能低成本的電子和光電設(shè)備。

　　 替換硅制備高性能晶體管

　　“摩爾定律”指出，芯片上晶體管的尺寸不斷縮小，數(shù)量每隔18個(gè)月便可增加一倍，芯片性能不斷提升。在過去數(shù)十年里，各國(guó)科學(xué)家全力以赴，希望將更多晶體管集成到一塊更小的芯片上。目前一塊市售22納米芯片上已包含十億個(gè)晶體管，但這仍不能滿足需求。此前業(yè)界曾有預(yù)言，晶體管能否繼續(xù)“縮小”，已成為芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸所在，若不能有所突破，“摩爾定律”或行將就木。對(duì)此，各方爭(zhēng)相攻關(guān)，探索將碳納米管、石墨烯等新材料應(yīng)用到晶體管中。

　　然而，二維石墨烯的電子結(jié)構(gòu)中不具備能隙，因而在電子學(xué)應(yīng)用中不能實(shí)現(xiàn)電流的“開”和“關(guān)”，這就弱化了其取代硅的可能性?？茖W(xué)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(wěn)定，不利于實(shí)際應(yīng)用。

　　隨著研究的深入，黑磷進(jìn)入了人們的視線。黑磷是磷的一種穩(wěn)定的同素異形體，擁有與石墨烯一樣的薄片狀結(jié)構(gòu)，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(diǎn)像金屬，但黑磷單晶天生就是半導(dǎo)體，它很容易被“打開”和“關(guān)閉”，因此，可以扮演半導(dǎo)體的角色，很好地實(shí)現(xiàn)電流的“開”和“關(guān)”。

　　據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，為了觀測(cè)電子在磷晶體管內(nèi)如何移動(dòng)，加拿大蒙特利爾大學(xué)和麥吉爾大學(xué)的研究人員將其放入加拿大國(guó)立高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)磁場(chǎng)下進(jìn)行觀察，該實(shí)驗(yàn)室是全球最大且能量最強(qiáng)的磁實(shí)驗(yàn)室。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子在黑鱗晶體管內(nèi)移動(dòng)時(shí)，只會(huì)在兩個(gè)維度移動(dòng)，這表明，黑磷或可替換硅，用于制造更高效的晶體管，從而將更多晶體管集成在一塊芯片上。

　　麥吉爾大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系教授、該研究的主要作者托馬斯·斯扎克佩克說(shuō)：“為了降低晶體管的操作電壓，減少產(chǎn)生的熱量，我們必須讓晶體管的厚度越來(lái)越纖薄，就目前來(lái)看，沒有什么比單層原子更纖薄的了。”

　　黑磷單晶也擁有很高的電子流動(dòng)性，因此，可以用于制造高性能低成本的電子設(shè)備。除此之外，黑磷單晶還擁有另外一個(gè)更獨(dú)特的屬性：其與光之間的相互作用根據(jù)原子層數(shù)量的不同而不同。單層晶體將釋放紅光；而更厚的晶體則會(huì)釋放紅外線。這種變化使科學(xué)家們能用其制造多種光電設(shè)備，例如激光器或者探測(cè)器等。

　　阻止其氧化是商用關(guān)鍵

　　盡管二維單晶優(yōu)點(diǎn)多多，但其也存在一個(gè)“阿喀琉斯之踵”，那就是當(dāng)這種纖薄的單晶與周圍環(huán)境接觸時(shí)，很容易發(fā)生氧化降解，這一致命缺陷限制了其未來(lái)在工業(yè)領(lǐng)域的用途。

　　最近，研究人員找到了阻止其降解的辦法。物理學(xué)家組織網(wǎng)日前報(bào)道稱，加拿大蒙特利爾大學(xué)、蒙特利爾綜合理工學(xué)校以及法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院的研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)成功確定了導(dǎo)致黑磷單晶降解的物理學(xué)機(jī)制，并揪出了導(dǎo)致其氧化的“罪魁禍?zhǔn)住薄?/p>

　　該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、蒙特利爾大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授理查德·馬特爾在《自然·材料學(xué)》雜志上撰文指出：“我們已經(jīng)證明，二維黑磷單晶在與周圍環(huán)境接觸時(shí)候，會(huì)在氧氣、水和光的聯(lián)合作用下發(fā)生氧化。我們使用電子束光譜和拉曼光譜，對(duì)其氧化過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究?！?/p>

　　隨后，研究人員研發(fā)出了一種有效的生產(chǎn)手段，來(lái)制造這種非常脆弱的黑磷單晶并讓其“百毒不侵”。

　　研究人員表示，此研究將幫助科學(xué)家們利用二維黑磷單晶非常特殊的性質(zhì)，開發(fā)出新的納米技術(shù)，最終制造出高性能的微處理器、激光器、太陽(yáng)能電池等設(shè)備。

　　盡管如此，斯扎克佩克指出，現(xiàn)在，我們還不知道如何大規(guī)模地制造出黑磷單晶，而且，距離其出現(xiàn)在商用電子設(shè)備中還有很長(zhǎng)的路要走。