添加剂工程协同增强锡铅钙钛矿薄膜晶体管性能及逻辑电路应用研究

《Advanced Science》：Synergistic Effects of Additive Engineering in Enhancing the Performance of Sn–Pb Perovskite Thin-Film Transistors and Derived Logic Circuits

本文系统阐述了BDTD添加剂通过调控MA0.4FA0.6Sn0.5Pb0.5I3钙钛矿成核结晶过程，实现空穴迁移率（μh）提升近10倍（达4.1 cm2V?1s?1）和开关比（Ion/Ioff）优化至1.8×105，结合TBAPF6界面钝化成功构建CMOS反相器，为溶液法制备高性能互补逻辑电路提供新范式。

　　

1 引言

有机-无机金属卤化物钙钛矿（OMHPs）作为新兴半导体材料，在光电子领域展现出巨大潜力。其典型分子式ABX₃中（A=Cs⁺/MA⁺/FA⁺，B=Pb²⁺/Sn²⁺，X=Cl^?/Br^?/I^?），锡铅混合钙钛矿因能带隙可调备受关注。然而Sn²⁺易氧化为Sn⁴⁺导致的缺陷问题，以及离子迁移引发的稳定性挑战，严重制约了薄膜晶体管（TFT）的实际应用。本研究通过引入4,8-二氢苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩-4,8-二酮（BDTD）添加剂，协同界面钝化策略，实现了高性能锡铅钙钛矿TFT的突破。

2 结果与讨论

2.1 器件性能提升

采用底栅顶接触（BGTC）结构的TFT中，BDTD通过硫/氧原子与Sn²⁺/Pb²⁺配位，显著改善载流子传输。输出特性曲线显示，优化后器件饱和电流从40 μA提升至360 μA，空穴迁移率达4.1 cm²V^?1s^?1（对照组0.38），开关比提升至1.8×10⁵。最佳BDTD浓度为0.15 mg/mL，过量添加会因绝缘效应导致性能下降。

2.2 稳定性与重现性

扫描速率（1-8 V s^?1）测试和11天长期监测表明，BDTD改性器件阈值电压漂移（ΔV_th）仅1.8 V，40个器件批量测试显示迁移率标准差<0.12 cm²V^?1s^?1。连续偏压测试（V_GS=-60 V，5,000 s）下电流衰减<15%，远超未处理器件（24 V阈值漂移）。

2.3 薄膜特性分析

X射线衍射（XRD）显示BDTD使（100）晶面峰强增加，半高宽（FWHM）收窄，晶粒尺寸从442 nm增至602 nm。原子力显微镜（AFM）证实表面粗糙度（RMS）从36 nm降至27 nm，扫描电镜（SEM）显示孔洞缺陷减少。GIWAXS分析表明添加剂诱导（100）晶面择优取向，提升晶体有序性。

2.4 化学机制阐释

傅里叶变换红外光谱（FTIR）中C-S键（1288→1293 cm^?1）和C=O键（1643→1648 cm^?1）位移证实BDTD与有机阳离子/金属离子的氢键/配位作用。X射线光电子能谱（XPS）显示Sn⁴⁺/Sn²⁺比值下降，光致发光（PL）强度增强，表明缺陷态密度降低。密度泛函理论（DFT）计算揭示BDTD在Pb-I终止（110）面吸附能最高，与静电势（ESP）分析的原子电荷分布一致。

2.5 界面工程与电路集成

四丁基六氟磷酸铵（TBAPF₆）表面钝化使阈值电压从9.89 V降至3.6 V。最终构建的钙钛矿/C₆₀互补反相器在50 V工作电压下增益>10，实现全摆幅电压转换。

3 结论

BDTD添加剂工程通过协同调控结晶动力学、钝化界面缺陷、抑制Sn²⁺氧化，显著提升锡铅钙钛矿TFT的迁移率、稳定性和重现性。结合界面钝化策略，成功演示了适用于互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电路的解决方案，为钙钛矿基柔性电子器件发展奠定基础。