通过大阳离子和拟卤阴离子调控锡基钙钛矿结晶实现高迁移率和高稳定性晶体管

研究人员针对锡基钙钛矿薄膜晶体管（TFTs）存在的快速结晶和氧化问题，通过引入2-噻吩乙胺硫氰酸盐（TEASCN）优化3D锡基钙钛矿（CsFASnI3）的结晶动力学与抗氧化性。该策略通过SCN?诱导的准二维中间相和TEA+与Sn-I八面体的强相互作用，显著抑制Sn2+氧化并降低陷阱密度，最终获得平均空穴迁移率>60 cm2 V?1 s?1、开关比>108的高性能器件，且在氮气环境中30天后仍保持84%初始性能。该研究为开发稳定高效的p型钙钛矿电子器件提供了新思路。

　　

在电子器件领域，n型氧化物薄膜晶体管（TFTs）虽已实现工业化应用，但与之匹配的高性能p型材料长期匮乏，制约了互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的发展。锡基钙钛矿因其环境友好性、高空穴迁移率和低有效质量成为潜力候选，但Sn²⁺易氧化和结晶不可控导致器件性能与稳定性不佳。针对这一挑战，国内某研究机构团队在《SCIENCE ADVANCES》发表研究，通过分子工程策略实现了突破。

研究人员采用溶液旋涂法制备薄膜，结合同步辐射掠入射X射线散射（GIWAXS）分析晶体取向，利用时间分辨荧光光谱（TRPL）和X射线光电子能谱（XPS）分别评估缺陷态和Sn²⁺氧化程度，并通过低温电学测试揭示界面陷阱密度变化规律。

RESULTS

1. 电学性能提升：引入TEASCN的器件平均迁移率达63 cm² V^?1 s^?1，较未处理样品提升超6倍，开关比达2.1×10⁸（图1D）。接触电阻低至35 Ω·cm，源于金电极与钙钛矿的高效载流子注入（图S7）。

2. 分子机制解析：傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实TEA⁺的噻吩环与SCN^?协同配位Sn²⁺，抑制N-H键振动（图2A-B）。硫原子孤对电子向Sn空轨道转移，降低缺陷形成能。

3. 结晶调控创新：SCN^?诱导形成双层准二维中间相TEA₂(FACs)Sn₂SCN₂I₅，退火后转化为垂直取向的3D相（图2C）。原子力显微镜（AFM）显示薄膜均方根粗糙度从8.2 nm降至2.4 nm（图S18）。

4. 稳定性突破：XPS显示Sn⁴⁺含量从28.1%降至13%（图2D-F），非辐射复合寿命延长至3.85 ns（图4B）。未封装器件在N₂中30天保持84%初始性能（图5E-F）。

DISCUSSION

该研究通过“拟卤阴离子诱导模板结晶+大阳离子表面钝化”的双重策略，解决了锡基钙钛矿TFTs的结晶无序与氧化难题。TEASCN的引入不仅通过准二维中间相引导3D相垂直生长，其富集在表面的TEA⁺还形成疏水保护层。所实现的60 cm² V^?1 s^?1级迁移率刷新了p型钙钛矿晶体管纪录，为柔性电子和低功耗集成电路提供了新材料体系。