本研究通过低维模板与延迟结晶协同策略，成功实现了高质量锡基钙钛矿薄膜的可控制备及其高性能晶体管的构筑。针对准二维锡基钙钛矿材料在相竞争生长中易出现的结构无序与取向不佳等问题，研究通过引入苯乙基硫氰酸铵（PEASCN）促进PEA₂FAₙ₋₁SnₙI₃ₙ₊₁SCN₂（n=2）低维模板的优先形成，并利用FAHCOO/NH₄I部分替代FAI以抑制三维相在室温下的无序生长，从而精确调控结晶过程。退火过程中，低维模板引导高维相有序外延，最终获得垂直取向明确、缺陷密度显著降低的高质量薄膜。基于该薄膜的场效应晶体管表现出空穴迁移率高达43 cm²·V⁻¹·s⁻¹、开关比超过10⁸的优异性能，且迟滞可忽略、稳定性显著提升。该工作为锡基钙钛矿的结晶控制与高性能器件开发提供了有效途径，成果发表于《Nature Communications》。
技术亮点：
Ø 突破结晶控制瓶颈：通过PEASCN诱导低维模板优先形成，在退火中引导高维相有序生长，突破钙钛矿薄膜取向控制难题。
Ø 实现结晶动力学精确调控：利用FAHCOO/NH₄I部分替代策略，抑制三维相无序生长，实现结晶过程的延迟控制，为高质量薄膜制备提供关键条件。
Ø 卓越电学性能：基于高质量薄膜的晶体管实现43 cm²·V⁻¹·s⁻¹的高迁移率和超过10⁸的开关比，同时具备低迟滞和高稳定性。
图文分析：
图1 准二维薄膜的结晶动力学分析。(a) 基于PEASCN-FAHCOO的薄膜在不同退火时间下的XRD图谱。图中标出了双层(n=2) Ruddlesden-Popper钙钛矿相(2L, PEA₂FASn₂I₅SCN₂)和三维FASnI₃相(3D)。(b) 薄膜在退火过程中的结构演变示意图。(c, d) 分别为PEASCN-FAHCOO基薄膜在(e) 未退火与(d) 退火1分钟后的GIWAXS图谱。(e) 不同退火时间下PEASCN-FAHCOO基薄膜的PL光谱。(f) 基于PEAI的薄膜在不同退火时间下的XRD图谱，用于对比。(g) 完全退火后，PEASCN-FAHCOO基与PEAI基薄膜的XRD图谱对比，插图为(100)衍射峰的局部放大图。(h) 基于GIWAXS数据，在散射矢量qr* = 1.0 Å⁻¹处积分所得的方位角曲线。
图2 钙钛矿薄膜的形貌与理化性质表征。(a, b) 分别为PEASCN-FAHCOO基与PEAI基钙钛矿薄膜的典型SEM图像（比例尺：200 nm）。(c) 两种薄膜Sn 3d轨道的高分辨XPS谱图。(d) 相应的表面水接触角测试结果。(e) PEAI基与PEASCN-FAHCOO基薄膜的光致发光（PL）光谱。
图3 锡基钙钛矿场效应晶体管（FET）的器件性能表征。（a, b）分别展示了PEAI基与PEASCN-FAHCOO基底栅顶接触FET的器件结构及其主要载流子传输路径，包括载流子注入、垂直传输与界面传输过程。（c）在漏源电压VDS = -30 V条件下测得的转移曲线。（d）两种器件的输出特性曲线。（e）基于转移曲线提取的饱和区空穴迁移率。（f）通过传输线法（TLM）提取的接触电阻。（g, h）分别为PEAI基与PEASCN-FAHCOO基FET在不同栅压（VGS）下测得的漏极电流噪声功率谱密度。（i）基于200个器件统计得到的空穴迁移率分布图。
图4 锡基钙钛矿场效应晶体管（FET）的稳定性表征。（a, b）分别为未封装的PEASCN-FAHCOO基与PEAI基FET在空气环境中的存储稳定性测试结果。（c）PEASCN-FAHCOO基FET的导通电流与饱和迁移率随存储时间的变化关系。（d）该器件在VDS = -30 V条件下，连续进行100次循环扫描测得的转移曲线。（e）两种FET在循环测试期间阈值电压（Vth）的漂移情况。（f）不同栅压扫描步长下测得的转移曲线，用于评估电学滞回效应。（g）两种器件在VGS = ±30 V条件下，经历5000次连续开关循环的稳定性测试。（h）图（g）中关键区域的局部放大图，以清晰展示性能衰减细节。（i）两种FET在负偏压应力（VGS = VDS = -30 V）下的稳定性对比。
结论展望
本研究通过在前驱体中引入PEASCN，并以FAHCOO和NH₄I部分替代FAI，成功实现了低维模板的优先形成与结晶过程的延迟控制，从而制备出高质量的锡基钙钛矿薄膜。该低维模板在退火过程中有效引导高维相的有序生长，最终获得具有垂直取向、缺陷密度显著降低的高质量薄膜。基于此薄膜所制备的场效应晶体管表现出优异的电学性能，其空穴迁移率高达43 cm²·V⁻¹·s⁻¹，开关比超过10⁸，同时具备可忽略的迟滞现象和显著增强的操作稳定性。本研究展示了一种通过调控结晶动力学路径以实现高性能、高稳定性锡基钙钛矿薄膜及器件的有效策略，为未来钙钛矿基电子器件的开发奠定了可靠基础。
文献来源
Wu, Y., Yang, S., Li, E.et al. Low-dimensional templates and delayed crystallization for high-quality tin-based perovskite films and high-performance transistors. Nat Commun 16, 9505 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-64560-2
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