在新一代低成本、可规模化电子器件研发领域，锡基钙钛矿凭借低空穴有效质量、高效载流子传输、弱离子迁移及溶液可加工性等优势，成为极具潜力的候选材料。然而，3D锡基卤化物钙钛矿存在活化能低、结晶速率快的问题，易导致薄膜质量下降、缺陷密度升高，且Sn2+易氧化为Sn4+产生锡空位，造成重p型掺杂，严重制约器件性能。
相比3D钙钛矿，准二维结构通过在无机骨架中引入大体积有机间隔阳离子，增强了材料的湿热稳定性与缺陷钝化能力。随着n 值增大，准二维体系逐渐恢复有效的无机连通性，其中n=2 在结构稳定性与电子输运之间实现了良好平衡：既保持低维结构的缺陷耐受性和防潮性，又具备较强的八面体耦合、窄带隙以及有利于垂直输运的择优取向，可作为模板诱导高n值或3D组分的外延生长。然而，在实际薄膜制备过程中，多相竞争生长不可避免，高n值相结晶速度过快，往往导致晶粒细小、取向随机与结构无序，从而引入更多缺陷、降低载流子迁移率。因此，实现高相纯度、可控结晶与垂直取向仍是准二维锡基钙钛矿器件性能提升的核心挑战。
复旦大学光电研究院褚君浩院士/李文武教授团队提出一种调控准二维锡基钙钛矿中不同n 值相顺序生长的有效策略。通过在前驱体中引入硫氰酸苯乙铵（PEASCN），在室温下诱导形成高质量的PEA2FAn-1SnnI3n-1SCN2（n=2）模板，用甲酸甲脒（FAHCOO）和碘化铵（NH4I）替代碘化甲脒（FAI），抑制3D FASnI3相的无序生长，实现薄膜的精准结晶控制，获得低缺陷、高取向的高质量锡基钙钛矿薄膜。基于此薄膜制备的场效应晶体管，迁移率高达43 cm2 V-1 s-1，开关比超过108，滞后现象可忽略不计，为高性能、稳定锡基钙钛矿器件的研发提供了可行路径。这项研究成果以“Low-dimensional templates and delayed crystallization for high-quality tin-based perovskite films and high-performance transistors”为题，发表于国际著名学术期刊《Nature Communications》上，博士生吴燕秋为论文第一作者，李文武教授为论文通讯作者。
主要研究成果：
创新结晶调控策略：PEASCN 可降低n = 2低维相的形成能，促使其优先生长并作为取向模板。以FAHCOO/NH4I 替代FAI，通过形成稳定的SnI2-FAHCOO络合物延缓FAI释放，抑制3D相无序成核，为低维相自组装向高维相的有序转变及引导高维相垂直外延提供充分时间，从而实现相序可控的逐级生长。
优异薄膜性能：XRD显示（100）衍射峰明显增强且变窄，GIWAXS证实面外取向高度一致；SEM/AFM表明薄膜致密平滑，Rq仅5.5nm。XPS中Sn4+含量显著下降，TOF-SIMS与接触角测试进一步验证表面PEA⁺富集形成疏水屏障，有效提升化学与环境稳定性。
高性能晶体管器件：制备的场效应晶体管展现出高达43 cm2 V-1 s-1的迁移率和超过10⁸的开关比，接触电阻仅为76Ωcm，界面缺陷密度降低超两倍，同时几乎无滞后现象且稳定性增强。
协同策略对锡基钙钛矿薄膜生长过程及其晶体管电学性能的调控作用
科学总结：
本研究针对准二维锡基钙钛矿薄膜制备中存在的相竞争生长、缺陷密度较高及取向不佳等问题，提出低维模板诱导与延迟结晶相结合的协同策略，有效改善了上述瓶颈，成功制备出高质量锡基钙钛矿薄膜。具体而言，通过在前驱体中引入PEASCN，优先形成热力学稳定的PEA2FAn-1SnnI3n-1SCN2（n=2）低维模板；同时以FAHCOO和NH4I替代FAI，抑制室温下3D FASnI3相的无序生长，实现延迟结晶控制。在后续退火过程中，低维模板可定向引导高维相生长，最终形成垂直取向性优异、缺陷密度显著降低的薄膜结构。制备的场效应晶体管展现出高达43cm2V-1s-1的迁移率和超过108的开关比，同时几乎无滞后现象且稳定性增强。这些结果展示了一种调节结晶动力学和实现高性能、稳定锡基钙钛矿的有效方法，为未来电子器件的应用提供了可靠的基础。
该研究工作得到了国家自然科学基金和上海市基础研究特区计划等项目的支持。
文章信息：Yanqiu Wu, Shuzhang Yang, Enlong Li, Yu Liu, Feng Yuan, Jincheng Wen, Lina Hua, Wunan Wang, Yingguo Yang, Yusheng Lei, Junhao Chu, Wenwu Li*,Low-dimensional templates and delayed crystallization for high-quality tin-based perovskite films and high-performance transistors. Nature Communications 16, 9505 (2025).
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64560-2
