超纯长半导体性碳纳米管分离制备

半导体碳纳米管因其准一维结构及极高的载流子迁移率（>100000 cm²/V·s），被视为后摩尔时代实现高速、低功耗电子器件的理想沟道材料。理论仿真结果表明，在相同技术节点下，碳纳米管器件的能效较硅基器件提升约一个数量级；在三维集成电路中，其能效优势更为显著，可提升达三个数量级。因此，碳纳米管电子器件被广泛认为是未来微电子技术发展的重要方向之一。制备高性能碳基集成电路的前提在于获得缺陷少、纯度高（>99.9999%）的长半导体碳纳米管。然而，目前通过催化生长方法制备的碳纳米管通常为金属性与半导体性碳纳米管的混合物，难以满足高性能碳基电子器件的实际应用需求。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心刘华平团队（A05）长期致力于碳纳米管手性结构的分离与纯化研究。该团队发展了一种高效的凝胶色谱技术，实现了多种单一手性半导体碳纳米管的宏量分离（Sci. Adv., 2021, 7, eabe0084；Nat. Commun., 2023, 14, 2491），为少缺陷、高纯度半导体碳纳米管的制备奠定了重要的技术基础。

最近，该团队开发了一种结合重复短时超声分散与凝胶色谱迭代分离的新型技术，实现了少缺陷、超纯长半导体碳纳米管的宏量分离。所得的半导体碳纳米管纯度超过99.9999%，为目前水相分离技术报道的最高半导体纯度。分离出的半导体碳纳米管平均长度超过430 nm，其中约47%碳纳米管长度超过400 nm，这是传统分散和分离方法制备的半导体碳纳米管长度的两倍多。利用这些半导体碳纳米管制备的网络薄膜晶体管展现出了卓越的电学输运性能，其开态电导率和载流子迁移率分别达到了149 µS/µm 和89.1 cm2V-1s-1，同时还保持了超过105的开关比。这些性能指标远高于已报道的碳纳米管网络薄膜晶体管。该研究成果为开发大规模、高性能碳纳米管器件提供了高质量的材料基础。

上述研究成果以“Separation of Ultrahigh-Purity Long Semiconducting Carbon Nanotubes via Gel Chromatography”为题发表在Adv. Funct. Mater.（Adv. Funct. Mater.2025, 35, 2507593）期刊上。物理所博士生王文轲为第一作者，刘华平研究员为通讯作者。参与该工作的还有物理所周维亚研究员、魏小均副研究员、王艳春副主任工程师和杨海方主任工程师以及博士生李潇（已毕业）、黄程骏、邢佳一和博士后李林海。本研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院以及江苏省重点研发计划的资助。全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202507593。

图. 基于分离制备的少缺陷超纯长半导体碳纳米管构建的网络薄膜场效应晶体管性能表征。