超純長半導體性碳納米管分離制備 | 進展

半導體碳納米管因其準一維結構及極高的載流子遷移率（>100000 cm2/V·s），被視為后摩爾時代實現高速、低功耗電子器件的理想溝道材料。理論仿真結果表明，在相同技術節點下，碳納米管器件的能效較硅基器件提升約一個數量級；在三維集成電路中，其能效優勢更為顯著，可提升達三個數量級。因此，碳納米管電子器件被廣泛認為是未來微電子技術發展的重要方向之一。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用需求。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態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構的分離與純化研究。該團隊發展了一種高效的凝膠色譜技術，實現了多種單一手性半導體碳納米管的宏量分離（Sci. Adv., 2021, 7, eabe0084；Nat. Commun., 2023, 14, 2491），為少缺陷、高純度半導體碳納米管的制備奠定了重要的技術基礎。

最近，該團隊開發了一種結合重復短時超聲分散與凝膠色譜迭代分離的新型技術，實現了少缺陷、超純長半導體碳納米管的宏量分離。所得的半導體碳納米管純度超過99.9999%，為目前水相分離技術報道的最高半導體純度。分離出的半導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，這是傳統分散和分離方法制備的半導體碳納米管長度的兩倍多。利用這些半導體碳納米管制備的網絡薄膜晶體管展現出了卓越的電學輸運性能，其開態電導率和載流子遷移率分別達到了149 μS/μm 和89.1 cm2V-1s-1，同時還保持了超過105的開關比。這些性能指標遠高于已報道的碳納米管網絡薄膜晶體管。該研究成果為開發大規模、高性能碳納米管器件提供了高質量的材料基礎。

圖. 基于分離制備的少缺陷超純長半導體碳納米管構建的網絡薄膜場效應晶體管性能表征。

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）、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計劃、國家自然科學基金、中國科學院以及江蘇省重點研發計劃的資助。

編輯：夜凌Ryelin