彭练矛院士团队，碳纳米管芯片新突破
在先进制程节点日益逼近硅基材料物理极限的背景下，寻找新一代具备可扩展性、高迁移率与低功耗特性的半导体材料，成为全球集成电路产业战略升级的关键议题。
碳纳米管（CNT）凭借其原子级直径、高电子迁移率、出色的电流开关比与低静电散射能力，被广泛认为是最具潜力的“后摩尔材料”之一。多项研究在基于方向排列半导体碳纳米管（A-CNT）的CMOS电路中取得突破，为该材料在数字集成电路中的应用提供了有力验证。
近日，北京大学彭练矛院士团队在取向的A-CNT上制作了高性能和高产量的对称 CMOS 场效应晶体管 (FET)。典型的基本功能单元，包括反相器、与非门和由 A-CNT CMOS FET 组成的静态随机存取存储器单元，即使在低至 0.1 V 的 V DD下也能实现轨到轨输出，并且由 70 个 CNT CMOS FET 组成的三位译码器展示了可扩展的集成。此外，由栅极长度为300纳米的碳纳米管CMOS场效应晶体管（CNT CMOS FET）组成的5级环形振荡器，振荡频率达到1.13 GHz，级延迟为88 ps。相关研究成果以“Complementary Metal–Oxide–Semiconductor Integrated Circuits Based on Aligned Carbon Nanotubes”为题发表于《ACS Publications》。
相较于石墨烯、二维过渡金属硫化物等材料，CNT作为一种准一维结构材料，在合成、纯化与阵列控制方面积累了更长时间的研发历史。早在2010年前后，美国的IBM和斯坦福大学就已成功构建出基于CNT的基本逻辑门电路，并在此后的数年持续推动碳基晶体管的性能优化。而进入2020年代后，围绕CNT集成电路的产业化趋势逐步清晰：材料分离纯度提升至99.999%、阵列排列方式的工程化优化，集成规模从数十器件拓展至百级别器件模块，逐渐向产业落地过渡。
从全球视角来看，碳基集成电路领域尚处于产业化早期，但其技术储备和资本聚集呈现明显区域集中。美国是目前碳纳米管芯片产业布局最为完整的国家之一，如Nantero专注于将碳纳米管用于非易失性内存（NRAM）领域，目前已与多家芯片设计公司建立合作关系，尽管受制于工艺稳定性和可靠性，产品尚未大规模量产，但该公司已获得超过1亿美元融资。此外，麻省理工学院与Analog Devices联合推进的“碳基逻辑-模拟集成项目”中，也已完成具有电压放大能力的CNT放大器验证，探索其在高频混合信号芯片中的替代路径。
亚洲方面，日本在碳纳米管材料纯化与均一化合成方面处于领先地位。瑞翁株式会社（ZEON）与National Institute of Advanced Industrial Science and Technology（AIST）联合开发的高纯单壁碳纳米管材料，已用于导电浆料和逻辑材料测试，并逐步接近工业化标准。韩国三星也于近年启动了基于柔性电子方向的碳基晶体管探索项目。
在我国，碳基集成电路的发展主要由科研机构牵头，部分材料企业参与底层支撑。中国科学院苏州纳米所联合天奈科技设立“先进碳基电子材料联合实验室”，聚焦于高纯度半导体碳纳米管的制备、电极接触优化、栅控对称性控制等核心问题，部分成果已应用于柔性传感器及小规模逻辑电路验证阶段。天奈科技作为国内领先的单壁碳纳米管材料企业，其产品线覆盖高纯度CNT粉体、浆料与复合导电体系，已与新能源、半导体、柔性器件等多个产业链下游展开样品测试合作。
彭练矛院士团队研发的晶圆级高质量碳管阵列薄膜
从市场角度来看，碳基芯片尚未成为独立热门赛道，但其与柔性电子、先进封装、类脑计算等新兴技术形成的交叉场景逐步获得市场关注。
在摩尔定律逼近天花板、传统CMOS难以支撑AI计算与边缘处理需求快速增长的趋势下，CNT等新材料平台被寄予厚望。此外，多个国家政策层面也对碳基电子技术释放支持信号。例如，美国国家纳米技术倡议已将低维碳材料纳入未来先进信息处理关键材料库，日本文部科学省在“Beyond CMOS”项目中多次提及CNT逻辑器件的潜力，而我国《十四五新材料发展规划》中亦鼓励高性能碳基材料在新型信息器件中的探索性应用。
然而，碳基集成电路目前仍处于“前产业化”阶段，即技术路径已相对明确，验证模型已有雏形，但尚未形成经济可行、商业闭环完整的产业体系。其面临的最大挑战仍在于材料成本高、工艺窗口窄；与硅基工艺平台的整合难度大；可靠性验证与芯片封装仍需大量工程积累。
目前碳基集成电路正逐步从技术验证期迈向产业探索期。尽管仍存在工程化门槛高、标准化体系未建、产业链配套不足等现实挑战，但以A-CNT为代表的碳纳米管CMOS器件在性能和集成规模上的持续突破，已为未来构建低功耗、高频率、亚纳米逻辑芯片提供了切实可行的技术路线。伴随材料纯度提升、EDA工具链适配以及资本与政策持续支持，碳基电子技术或将在新一轮“后硅纪元”的产业竞争中赢得战略高地。