隨著 AI 算力需求持續增長，傳統硅基芯片在數據搬運能耗和晶體管微縮方面面臨雙重瓶頸。美國晶圓代工廠SkyWater 聯合 Stanford、MIT 等團隊在 IEDM 2025 上展示了基于異質集成硅 CMOS、阻變存儲器與單壁碳納米管 FETs 的單片 3D 存儲-邏輯電路進展。這一工作表明，在后摩爾時代的垂直集成計算探索中，單壁碳納米管 FETs 正成為重要的材料與器件路徑之一。
單壁碳納米管（Single-Wall Carbon Nanotube, SWCNT）憑借超高載流子遷移率、優異電學性能以及納米尺度結構，被認為是極具潛力的碳基芯片材料之一。其核心優勢在于：遠超傳統硅材料的電子遷移率、在低電壓下工作的低功耗特性，以及在溝道長度小于10納米時依然能保持良好的電學特性。因此，SWCNT 被視為未來高性能、低功耗器件的重要候選材料之一。
近年來，碳納米管電子學已從單器件研究推進到系統級集成：2019年，研究人員實現了基于碳納米管晶體管的16位微處理器；2020年，又有研究證明其可在商業硅制造設施中完成制備，顯示出與現有半導體產線兼容的潛力。國內在碳納米管晶圓的中試放大和工藝驗證方面也取得進展，8英寸中試與12英寸前瞻開發正在推進。與此同時，相關研究也已拓展到神經形態計算、柔性透明電子等方向。
但從“材料具有潛力”到“器件能夠落地”，中間仍存在關鍵工藝門檻，其中之一就是 SWCNT 的分選與純化。
為什么 SWCNT 分選正成為關鍵工藝
商業化或常規制備得到的 SWCNT 往往并非單一物種，而是包含多種甚至 20 種以上 SWCNT 物種的混合體系。不同 SWCNT 物種通常以(n,m) 手性指數表示。不同手性對應不同直徑、晶格取向和電子結構，因此表現出不同的光學、電學和物理性質。對于碳納米管晶體管、碳基芯片及相關器件而言，材料質量直接影響器件性能、一致性和可制造性。產業界對 SWCNT 的要求，正越來越集中在半導體型純度、手性組成可控性、分散穩定性以及批次一致性等方面。
因此，SWCNT 分選與純化并不是簡單意義上的“去雜”步驟，而是圍繞具體應用需求，對目標電子類型、目標手性、目標長度范圍及穩定分散狀態進行精確控制的關鍵工藝。可以說，只有當材料層面的異質性被有效管理，SWCNT 才更有可能真正進入可重復、可放大的器件制造流程。
主流分選方法的特點與適用場景
目前，SWCNT 后處理分選方法主要包括密度梯度超速離心（DGU）、水相兩相萃取（ATPE）、聚合物包裹法（CPW）、凝膠色譜（GC）等。這些方法通常依賴于不同手性、直徑或電子類型 SWCNT 在表面包覆、溶解性、界面分配或遷移行為上的差異來實現。其中，DGU 能在單次離心過程中同時分離并富集多種不同SWCNT手性組分，適用于對分辨率要求較高的科研級分離場景；ATPE 具有成本低、通量高和易于放大的優勢；CPW更適合獲得高純半導體型 SWCNT，因此在薄膜晶體管等電子器件研究中應用廣泛；凝膠色譜則主要用于半導體/金屬性分離及半導體型 SWCNT 富集。
離心設備如何支撐 SWCNT 分選流程
在這些SWCNT 分選路線中，離心步驟不僅關系到樣品預處理效率，也直接影響分層效果、界面澄清、分離分辨率以及整體流程通量。因此，離心設備的選擇同樣是工藝開發中的關鍵因素之一。 Eppendorf提供高速離心機與超速離心機兩大產品線，可分別對應SWCNT分選流程中不同階段的應用需求。超速離心機主要適用于科研級、小批量、高分辨率手性分離場景，尤其適合密度梯度超速離心（DGU）對離心力和分辨率要求較高的方法；高速離心機則更適合作為液相分選工藝中的固液分離和相分離輔助設備，可用于樣品預處理、 ATPE體系中的分層加速與CPW體系中的去除m-SWCNT 沉淀，從而提升流程效率和工藝通量。
總體來看，隨著碳基芯片、碳納米管晶體管及相關器件研究不斷向系統集成和工藝驗證邁進，SWCNT 材料質量控制的重要性正在持續上升。其中，分選與純化已不再只是實驗室后處理步驟，而正在成為影響材料能否走向器件化、規模化和產業化的關鍵工藝之一。圍繞這一過程建立匹配的分選方法和離心平臺，也將成為推動 SWCNT 應用落地的重要支撐。
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