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研究背景

当前全球半导体产业竞争日益激烈，我国在"十四五"规划和2035年远景目标中明确提出要加强关键核心技术攻关，突破"卡脖子"技术瓶颈，加速推进新材料在集成电路领域的创新应用。锡基钙钛矿作为极具潜力的无铅半导体材料，其小空穴有效质量、电荷传输和溶液可加工性为低成本、可扩展的高性能电子器件提供了新路径。

但在实际应用中面临严峻挑战：Sn²⁺易氧化为Sn⁴⁺产生锡空位导致高p型掺杂，三维结构的快速结晶动力学造成薄膜质量差、缺陷密度高，而准二维相在结晶过程中各组分竞争性生长引发的结构无序和随机取向严重制约了电荷传输效率，这些基础科学问题与技术瓶颈已成为制约我国在新型半导体材料领域实现弯道超车的关键障碍。

针对上述问题，由复旦大学组成的团队利用泽攸科技JS系列台阶仪进行了系统研究，团队通过低维模板引导结晶与延迟结晶动力学调控策略，成功制备出高迁移率(43 cm²V⁻¹s⁻¹)、高开关比(>10⁸)的锡基钙钛矿晶体管。

标题：Low-dimensional templates and delayed crystallization for high-quality tin-based perovskite films and high-performance transistors

期刊：Nature Communications

网址：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64560-2

低维模板引导的结晶动力学调控

研究团队创新性地引入苯乙基铵硫氰酸盐(PEASCN)与甲酸甲脒(FAHCOO)/碘化铵(NH₄I)协同策略，成功实现了锡基钙钛矿薄膜结晶过程的精确调控。PEASCN在室温下优先形成PEA₂FASn₂I₅SCN₂(n=2)双层模板结构，而FAHCOO通过与Sn²⁺形成稳定配合物，有效抑制了三维FASnI₃相的不可控生长。这一策略通过延迟结晶动力学，为低维中间相的自组装提供了充足时间窗口，在退火过程中引导高维相沿垂直方向有序外延生长。薄膜厚度的精准控制对器件性能至关重要，研究人员使用了泽攸科技的JS系列台阶仪对旋涂并退火后的钙钛矿薄膜进行了精确的厚度表征，确认了优化后的薄膜厚度均一地保持在约40nm。这种纳米级的精密测量数据为理解薄膜形貌与器件性能之间的构效关系提供了关键的实证支持，最终助力该器件在氮气环境中存储30天后仍能保持高度的电学稳定性。

图1 | 准二维薄膜的结晶动力学。(a)不同退火时间下PEASCN-FAHCOO基薄膜的XRD图谱。2L表示对应于PEA2FASn2I5SCN2的双层(n=2)Ruddlesden-Popper钙钛矿相，3D表示三维FASnI3相。(b)PEASCN-FAHCOO基薄膜在退火过程中结构演变的示意图。(c)未退火的PEASCN-FAHCOO基薄膜的GIWAXS图谱。(d)退火1分钟后PEASCN-FAHCOO基薄膜的GIWAXS图谱。(e)不同退火时间下PEASCN-FAHCOO基薄膜的PL光谱。(f)不同退火时间下PEAI基薄膜的XRD图谱。(g)退火后的PEASCN-FAHCOO基和PEAI基钙钛矿薄膜的XRD图谱，附(100)衍射峰的局部放大图。(h)积分环在qr=1.0Å−1处的方位角曲线。

氧化抑制与薄膜质量协同提升

锡基钙钛矿材料面临的核心挑战是Sn²⁺易氧化为Sn⁴⁺导致高p型掺杂和缺陷密度增加。本研究通过多重机制协同解决这一难题：硫氰酸根(SCN⁻)掺入晶格通过N原子孤对电子与Sn²⁺配位，提高锡周围电子密度；退火后PEA⁺阳离子在薄膜表面富集形成疏水保护层；FAHCOO的弱酸性环境和羧酸根基团与Sn²⁺的强配位作用进一步抑制氧化。这些协同效应显著提升了薄膜质量，表现为XPS检测到更低的Sn⁴⁺含量、更高的水接触角(约85°)、增强的光致发光强度以及延长的载流子寿命(3.6 ns vs 0.9 ns)。SEM图像清晰展示了PEASCN-FAHCOO基薄膜具有致密均匀的形貌，表面粗糙度降至5.5 nm，为高性能晶体管奠定了材料基础。

图2 | 钙钛矿薄膜表征。(a)PEASCN-FAHCOO基和(b)PEAI基薄膜的典型SEM图像。比例尺为200nm。(c)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基薄膜Sn 3d区域的高分辨XPS谱。(d)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基薄膜的接触角。(e)PEAI、PEASCN-FAHCOO基薄膜的PL光谱。

高性能晶体管构建与工作机制

基于优化的锡基钙钛矿薄膜，研究团队制备了底栅顶接触构型的场效应晶体管，展现出的电学性能：室温迁移率达43 cm²V⁻¹s⁻¹，开关比超过10⁸，亚阈值摆幅为0.66 V/dec。这种性能提升源于垂直取向晶体结构促进的载流子传输、低界面陷阱密度(1.57×10¹² cm⁻²eV⁻¹)以及改善的金-半导体接触(接触电阻降至76 Ω·cm)。能带结构分析表明，SCN⁻掺入使费米能级下移，增强p型导电特性，同时提高功函数至4.49 eV，降低空穴注入势垒至0.61 eV。统计200个器件的性能分布证实了该制备工艺的高重复性，平均迁移率达38 cm²V⁻¹s⁻¹，在已报道的锡基钙钛矿晶体管中处于领先水平。

图3 | 器件性能表征。(a)PEAI基和(b)PEASCN-FAHCOO基底栅顶接触FET的主要载流子传输路径，包括载流子注入、垂直传输和界面传输。(c)VDS=-30V下的转移曲线。(d)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的输出曲线。(e)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的正向扫描饱和迁移率。(f)采用TLM方法提取的接触电阻。(g)PEAI基和(h)PEASCN-FAHCOO基FET在不同VGS下的漏极电流噪声功率谱密度。(i)200个PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的迁移率统计。

长期稳定性与可靠性验证

针对锡基钙钛矿器件稳定性差的行业痛点，本研究系统评估了PEASCN-FAHCOO基晶体管在多种应力条件下的可靠性。未封装器件在氮气环境中存储30天后，迁移率保持初始值的82%(34 vs 42 cm²V⁻¹s⁻¹)，而对照器件7天内完全失效。在100次连续转移曲线测试中，阈值电压漂移仅0.2 V，远低于对照器件的3.9 V。5000次开关循环后，开/关比保持率高达98.3%，且在恒定偏压应力下电流稳定性显著提升。温度依赖性测试表明，器件在低温下几乎无滞后现象(ΔV<0.5 V)，证实了离子迁移被有效抑制。这些优异的稳定性源于结晶质量提升、缺陷密度降低和疏水保护层的协同作用，为锡基钙钛矿在实际电子器件中的应用铺平了道路。

图4 | PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的稳定性表征。(a)PEASCN-FAHCOO基和(b)PEAI基未封装FET的存储稳定性。(c)PEASCN-FAHCOO基FET导通电流和饱和迁移率随存储时间的变化。(d)PEASCN-FAHCOO基FET在100次循环(VDS=-30V)中的连续转移曲线测量。(e)两种FET在循环测量期间的阈值电压(Vth)变化。(f)不同扫描步长下测得的转移曲线。(g)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET在5000次连续开关循环(VGS=±30V)测试。(h)(g)的局部放大图。(i)两种FET在负偏压应力下的稳定性(VGS=VDS=-30V)。

泽攸科技JS系列台阶仪作为国产高精度表面测量设备的代表，凭借其创新的技术架构、灵活的应用场景及可靠的测量性能，可以对微纳结构进行膜厚和台阶高度、表面形貌、表面波纹和表面粗糙度等的测量，在高校、研究实验室和研究所、半导体和化合物半导体、高亮度LED、太阳能、MEMS微机电、触摸屏、汽车、医疗设备等行业领域有着广泛应用。作为国产科学仪器的突破性成果，JS系列台阶仪打破了国外品牌在表面测量设备领域的长期垄断，凭借高性价比与本地化服务优势，成为国内高校、科研机构及制造企业的优选设备。