n型氧化物薄膜晶體管（TFTs）憑借優(yōu)異的遷移率、穩(wěn)定性以及低溫操作、經(jīng)濟性和成熟技術(shù)等優(yōu)勢，在電子產(chǎn)業(yè)化中得到廣泛應(yīng)用。然而，n型與p型TFTs之間的性能不匹配，導(dǎo)致電子和空穴載流子傳輸難以平衡，這嚴重制約了數(shù)據(jù)處理速度，阻礙了高性能、低功耗互補金屬氧化物半導(dǎo)體器件及集成電路的實現(xiàn)，因此，開發(fā)能滿足n型氧化物材料性能標準（如遷移率和開關(guān)比）的新型p型材料成為迫切需求。在眾多p型半導(dǎo)體材料中，錫基鈣鈦礦因其環(huán)境友好、本征高空穴遷移率和低有效質(zhì)量等特性脫穎而出，其獨特的弱弗羅赫lich相互作用和高5s軌道能級，使得價帶高度分散并增強了空穴遷移率，被認為是極具潛力的高性能p型TFTs材料。

盡管錫基鈣鈦礦前景廣闊，但其應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。二維層狀鈣鈦礦如 (PEA)?SnI?雖因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和多功能性被研究作為鈣鈦礦晶體管的溝道，且后續(xù)在薄膜形貌、器件結(jié)構(gòu)和晶體形成方面的改進提升了晶體管性能，但量子和介電限制導(dǎo)致垂直于無機層的電荷隧穿受到嚴重抑制，制約了其電荷傳輸性能。三維鈣鈦礦雖具有連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)更快的電荷傳輸，且在3D錫鉛混合鈣鈦礦體系中已展現(xiàn)出超過50 cm2 V?1 s?1 的高載流子遷移率，但純?nèi)S錫基鈣鈦礦晶體管因Sn2?易氧化和晶體生長動力學(xué)不可控，載流子遷移率和長期穩(wěn)定性仍較差。此外，向三維結(jié)構(gòu)中引入大陽離子形成低維相以改善性能時，會因不同維度結(jié)構(gòu)的共存導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)無序和缺陷增加，即便在充滿氮氣的手套箱中儲存，僅接觸微量氧氣也會使器件性能下降，因此，如何調(diào)控結(jié)晶動力學(xué)以獲得理想的晶體取向并提高錫基鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性，成為實現(xiàn)高遷移率、高穩(wěn)定性晶體管的關(guān)鍵難題。

針對上述問題，由復(fù)旦大學(xué)組成的團隊利用澤攸科技JS系列臺階儀進行了系統(tǒng)性的研究，研究通過將 2 - 噻吩乙胺硫氰酸鹽（TEASCN）引入三維錫基鈣鈦礦中，調(diào)控其結(jié)晶過程，抑制Sn2?氧化并降低陷阱密度，從而制備出具有高遷移率和高穩(wěn)定性的p型鈣鈦礦晶體管。相關(guān)成果以“Tailoring tin-based perovskite crystallization via large cations and pseudo-halide anions for high mobility and high stable transistors”為題發(fā)表在《Science Advances》期刊上。

論文聚焦于錫基鈣鈦礦在p型薄膜晶體管（TFTs）應(yīng)用中面臨的快速結(jié)晶、易氧化等問題，通過向三維錫基鈣鈦礦（CsFASnI?）中引入 2 - 噻吩乙胺硫氰酸鹽（TEASCN），探索其對材料性能及器件性能的改善作用。研究發(fā)現(xiàn)，TEASCN 中的氨基和硫基團能與 Sn-I 八面體形成強鍵，硫氰酸根離子（SCN?）可誘導(dǎo)形成雙層準二維鈣鈦礦中間相，這種協(xié)同作用有效調(diào)控了鈣鈦礦的結(jié)晶取向，促進了 3D 結(jié)構(gòu)垂直于襯底的生長，同時抑制了 Sn2?的氧化并降低了陷阱密度，為提升器件性能奠定了基礎(chǔ)。

圖 鈣鈦礦薄膜晶體管的電學(xué)性能表征。(A)鈣鈦礦薄膜晶體管器件結(jié)構(gòu)示意圖。(B)基于CsFASnI3的薄膜晶體管典型轉(zhuǎn)移特性曲線，(C)TEAI--CsFASnI3薄膜晶體管，(D)TEASCN--CsFASnI3薄膜晶體管。(E)TEAI--CsFASnI3薄膜晶體管輸出特性曲線，(F)TEASCN--CsFASnI3薄膜晶體管輸出特性曲線

基于上述機制，研究團隊制備了基于 TEASCN 修飾的 CsFASnI?鈣鈦礦 TFTs，其性能得到顯著提升。該器件平均空穴遷移率超過 60 cm2 V?1 s?1，開關(guān)電流比超過 10?，遠超現(xiàn)有p型鈣鈦礦 TFTs 的性能水平。在穩(wěn)定性方面，未封裝的器件在氮氣氛圍中存放 30 天后，仍能保持初始遷移率的 84%，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。此外，通過對比不同添加劑（如 TEAI、FASCN 等）的效果，證實了 TEASCN 中 TEA?陽離子和 SCN?陰離子的協(xié)同作用是性能提升的關(guān)鍵，其中 TEA?的硫代噻吩環(huán)與 Sn-I 八面體的強相互作用及 SCN?誘導(dǎo)的中間相形成共同優(yōu)化了結(jié)晶和電荷傳輸。

圖 TEASCN與SnI?的強相互作用及對Sn2+氧化的抑制作用。（A、B）TEASCN、TEASCN+SnI?、TEAI和TEAI+SnI?的FTIR光譜。(C)CsFASnI?、TEAI--CsFASnI?和TEASCN--CsFASnI?鈣鈦礦薄膜退火前的XRD衍射圖譜。(D)、(E)、(F)分別為TEASCN--CsFASnI?、TEAICsFASnI?和CsFASnI?鈣鈦礦薄膜的Sn 3d區(qū)域XPS光譜。a.u.為任意單位

為深入探究 TEASCN 的作用，研究團隊采用了多種表征手段。通過 X 射線光電子能譜（XPS）證實，TEASCN 修飾的薄膜中 Sn??含量僅為 13%，遠低于未修飾的 28.1%，表明其抗氧化能力顯著增強； grazing- incidence 廣角 X 射線散射（GIWAXS）和 X 射線衍射（XRD）顯示，薄膜結(jié)晶度和（100）晶面取向性提升，掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）則觀察到薄膜覆蓋率提高、表面更平整，減少了界面缺陷。此外，穩(wěn)態(tài)和時間分辨光致發(fā)光（PL）測試表明，TEASCN 修飾降低了非輻射復(fù)合，延長了載流子壽命，進一步佐證了缺陷密度的降低。

圖 鈣鈦礦薄膜的取向性、結(jié)晶度及形貌增強。分別展示(A) CsFASnI3、(B)TEAI--CsFASnI3和(C)TEASCN--CsFASnI3鈣鈦礦薄膜的吉氏廣角X射線散射（GIWAXS）圖譜。(D)環(huán)狀結(jié)構(gòu)在qr = 1.0 A?1處的方位角分布曲線。(E)CsFASnI3、TEAI--CsFASnI3和TEASCN--CsFASnI3鈣鈦礦薄膜的X射線衍射（XRD）圖譜。(F)CsFASnI3、TEAI--CsFASnI3和TEASCN--CsFASnI3鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜，其中（100）晶面局部放大視圖。(G)、(H)和(I)分別為CsFASnI3、TEAICsFASnI3和TEASCN--CsFASnI3薄膜的典型掃描電鏡圖像

在薄膜表征過程中，澤攸科技的JS系列臺階儀發(fā)揮了重要作用，其用于測量鈣鈦礦薄膜的厚度，結(jié)果顯示薄膜厚度在35至40納米之間。這一精確的厚度數(shù)據(jù)為后續(xù)的性能分析提供了基礎(chǔ)，確保了不同樣品間的可比性，也為理解薄膜厚度與器件電學(xué)性能（如遷移率、開關(guān)比）的關(guān)聯(lián)提供了關(guān)鍵參數(shù)，有助于驗證 TEASCN 修飾對薄膜生長均勻性的改善效果。該研究通過引入 TEASCN 實現(xiàn)了對錫基鈣鈦礦結(jié)晶動力學(xué)、氧化穩(wěn)定性和缺陷密度的有效調(diào)控，成功制備出高性能、高穩(wěn)定性的p型鈣鈦礦 TFTs，為錫基鈣鈦礦在電子器件中的應(yīng)用開辟了新路徑。