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(shí)代實(shí)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(diǎn)下，碳納米管器件的能效較硅基器件提升約一個(gè)數(shù)量級(jí)；在三維集成電路中，其能效優(yōu)勢(shì)更為顯著，可提升達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，碳納米管電子器件被廣泛認(rèn)為是未來(lái)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(zhǎng)半導(dǎo)體碳納米管。然而，目前通過(guò)催化生長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用需求。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心劉華平團(tuán)隊(duì)（A05）長(zhǎng)期致力于碳納米管手性結(jié)構(gòu)的分離與純化研究。該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種高效的凝膠色譜技術(shù)，實(shí)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種結(jié)合重復(fù)短時(shí)超聲分散與凝膠色譜迭代分離的新型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了少缺陷、超純長(zhǎng)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(guò)99.9999%，為目前水相分離技術(shù)報(bào)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(zhǎng)度超過(guò)430 nm，其中約47%碳納米管長(zhǎng)度超過(guò)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(zhǎng)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(yùn)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(shí)還保持了超過(guò)105的開關(guān)比。這些性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于已報(bào)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)。

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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院以及江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202507593。

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