有奖调研｜碳基芯片加速验证，SWCNT 分选为何成为关键工艺？

纳博会 20260915

随着 AI 算力需求持续增长，传统硅基芯片在数据搬运能耗和晶体管微缩方面面临双重瓶颈。美国晶圆代工厂SkyWater 联合 Stanford、MIT 等团队在 IEDM 2025 上展示了基于异质集成硅 CMOS、阻变存储器与单壁碳纳米管 FETs 的单片 3D 存储-逻辑电路进展。这一工作表明，在后摩尔时代的垂直集成计算探索中，单壁碳纳米管 FETs 正成为重要的材料与器件路径之一。

单壁碳纳米管（Single-Wall Carbon Nanotube, SWCNT）凭借超高载流子迁移率、优异电学性能以及纳米尺度结构，被认为是极具潜力的碳基芯片材料之一。其核心优势在于：远超传统硅材料的电子迁移率、在低电压下工作的低功耗特性，以及在沟道长度小于10纳米时依然能保持良好的电学特性。因此，SWCNT 被视为未来高性能、低功耗器件的重要候选材料之一。

近年来，碳纳米管电子学已从单器件研究推进到系统级集成：2019年，研究人员实现了基于碳纳米管晶体管的16位微处理器；2020年，又有研究证明其可在商业硅制造设施中完成制备，显示出与现有半导体产线兼容的潜力。国内在碳纳米管晶圆的中试放大和工艺验证方面也取得进展，8英寸中试与12英寸前瞻开发正在推进。与此同时，相关研究也已拓展到神经形态计算、柔性透明电子等方向。

但从“材料具有潜力”到“器件能够落地”，中间仍存在关键工艺门槛，其中之一就是 SWCNT 的分选与纯化。

为什么 SWCNT 分选正成为关键工艺

商业化或常规制备得到的 SWCNT 往往并非单一物种，而是包含多种甚至 20 种以上 SWCNT 物种的混合体系。不同 SWCNT 物种通常以(n,m) 手性指数表示。不同手性对应不同直径、晶格取向和电子结构，因此表现出不同的光学、电学和物理性质。对于碳纳米管晶体管、碳基芯片及相关器件而言，材料质量直接影响器件性能、一致性和可制造性。产业界对 SWCNT 的要求，正越来越集中在半导体型纯度、手性组成可控性、分散稳定性以及批次一致性等方面。

因此，SWCNT 分选与纯化并不是简单意义上的“去杂”步骤，而是围绕具体应用需求，对目标电子类型、目标手性、目标长度范围及稳定分散状态进行精确控制的关键工艺。可以说，只有当材料层面的异质性被有效管理，SWCNT 才更有可能真正进入可重复、可放大的器件制造流程。

主流分选方法的特点与适用场景

目前，SWCNT 后处理分选方法主要包括密度梯度超速离心（DGU）、水相两相萃取（ATPE）、聚合物包裹法（CPW）、凝胶色谱（GC）等。这些方法通常依赖于不同手性、直径或电子类型 SWCNT 在表面包覆、溶解性、界面分配或迁移行为上的差异来实现。其中，DGU 能在单次离心过程中同时分离并富集多种不同SWCNT手性组分，适用于对分辨率要求较高的科研级分离场景；ATPE 具有成本低、通量高和易于放大的优势；CPW更适合获得高纯半导体型 SWCNT，因此在薄膜晶体管等电子器件研究中应用广泛；凝胶色谱则主要用于半导体/金属性分离及半导体型 SWCNT 富集。

离心设备如何支撑 SWCNT 分选流程

在这些SWCNT 分选路线中，离心步骤不仅关系到样品预处理效率，也直接影响分层效果、界面澄清、分离分辨率以及整体流程通量。因此，离心设备的选择同样是工艺开发中的关键因素之一。 Eppendorf提供高速离心机与超速离心机两大产品线，可分别对应SWCNT分选流程中不同阶段的应用需求。超速离心机主要适用于科研级、小批量、高分辨率手性分离场景，尤其适合密度梯度超速离心（DGU）对离心力和分辨率要求较高的方法；高速离心机则更适合作为液相分选工艺中的固液分离和相分离辅助设备，可用于样品预处理、 ATPE体系中的分层加速与CPW体系中的去除m-SWCNT 沉淀，从而提升流程效率和工艺通量。

总体来看，随着碳基芯片、碳纳米管晶体管及相关器件研究不断向系统集成和工艺验证迈进，SWCNT 材料质量控制的重要性正在持续上升。其中，分选与纯化已不再只是实验室后处理步骤，而正在成为影响材料能否走向器件化、规模化和产业化的关键工艺之一。围绕这一过程建立匹配的分选方法和离心平台，也将成为推动 SWCNT 应用落地的重要支撑。

[即日起至 8 月 31 日，填写真实有效问卷，前 30 名即可获赠 Eppendorf 折叠遮阳帽；如您关注 SWCNT 分选流程中的离心设备选型与应用，也欢迎留下信息，我们将尽快与您联系。]

礼品参考图

关于Eppendorf

Eppendorf 成立于 1945 年，总部位于德国汉堡，在欧洲、亚洲和北美设有生产及研发基地，并在全球 30 多个国家和地区设有子公司。 Eppendorf 致力于为全球实验室开发、生产并提供仪器、耗材及相关服务，业务覆盖液体处理、实验室耗材、离心与分离设备以及生物工艺等领域。 Eppendorf 产品广泛应用于学术、商业性研发及工业实验室，包括科研、制药、生物技术、化工、食品、临床、环境分析、法医学以及生产和质量保障等领域。2020 年， Eppendorf 收购日本 Koki 集团离心机业务，并将高端品牌 himac 纳入旗下，进一步强化了其在离心领域的产品布局。

关于Eppendorf Himac 离心机

自 1954 年在日本上市以来，himac 离心机凭借高性能与可靠性在全球市场建立了良好口碑。产品在大容量、高转速与紧凑设计之间实现平衡，可满足多样化实验需求。其再生制动系统结合 Eco 节能模式，有助于提升运行效率并降低能耗；制冷控制系统可提供稳定温控，为样品保护提供支持。此外，himac 离心机在生物安全、数据安全和运行安全等方面配备多项技术保障，进一步提升了使用过程中的安全性与可靠性。