半導(dǎo)體碳納米管因其準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)及極高的載流子遷移率（>100000 cm2/V·s），被視為后摩爾時代實現(xiàn)高速、低功耗電子器件的理想溝道材料。理論仿真結(jié)果表明，在相同技術(shù)節(jié)點下，碳納米管器件的能效較硅基器件提升約一個數(shù)量級；在三維集成電路中，其能效優(yōu)勢更為顯著，可提升達(dá)三個數(shù)量級。因此，碳納米管電子器件被廣泛認(rèn)為是未來微電子技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。制備高性能碳基集成電路的前提在于獲得缺陷少、純度高（>99.9999%）的長半導(dǎo)體碳納米管。然而，目前通過催化生長方法制備的碳納米管通常為金屬性與半導(dǎo)體性碳納米管的混合物，難以滿足高性能碳基電子器件的實際應(yīng)用需求。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心劉華平團隊（A05）長期致力于碳納米管手性結(jié)構(gòu)的分離與純化研究。該團隊發(fā)展了一種高效的凝膠色譜技術(shù)，實現(xiàn)了多種單一手性半導(dǎo)體碳納米管的宏量分離（Sci. Adv., 2021, 7, eabe0084；Nat. Commun., 2023, 14, 2491），為少缺陷、高純度半導(dǎo)體碳納米管的制備奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

最近，該團隊開發(fā)了一種結(jié)合重復(fù)短時超聲分散與凝膠色譜迭代分離的新型技術(shù)，實現(xiàn)了少缺陷、超純長半導(dǎo)體碳納米管的宏量分離。所得的半導(dǎo)體碳納米管純度超過99.9999%，為目前水相分離技術(shù)報道的最高半導(dǎo)體純度。分離出的半導(dǎo)體碳納米管平均長度超過430 nm，其中約47%碳納米管長度超過400 nm，這是傳統(tǒng)分散和分離方法制備的半導(dǎo)體碳納米管長度的兩倍多。利用這些半導(dǎo)體碳納米管制備的網(wǎng)絡(luò)薄膜晶體管展現(xiàn)出了卓越的電學(xué)輸運性能，其開態(tài)電導(dǎo)率和載流子遷移率分別達(dá)到了149 μS/μm 和89.1 cm2V-1s-1，同時還保持了超過105的開關(guān)比。這些性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于已報道的碳納米管網(wǎng)絡(luò)薄膜晶體管。該研究成果為開發(fā)大規(guī)模、高性能碳納米管器件提供了高質(zhì)量的材料基礎(chǔ)。

圖. 基于分離制備的少缺陷超純長半導(dǎo)體碳納米管構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)薄膜場效應(yīng)晶體管性能表征。

上述研究成果以“Separation of Ultrahigh-Purity Long Semiconducting Carbon Nanotubes via Gel Chromatography”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.（Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2507593）期刊上。物理所博士生王文軻為第一作者，劉華平研究員為通訊作者。參與該工作的還有物理所周維亞研究員、魏小均副研究員、王艷春副主任工程師和楊海方主任工程師以及博士生李瀟（已畢業(yè)）、黃程駿、邢佳一和博士后李林海。本研究工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院以及江蘇省重點研發(fā)計劃的資助。

編輯：夜凌Ryelin