【供稿：材料科学与工程学院】近日，吉林大学材料科学与工程学院张立军教授团队在无铅锡基钙钛矿晶体管研究方面取得突破性进展，提出以分子极性为导向的离子锚定添加剂设计策略，有效抑制场致离子迁移，实现器件迁移率与运行稳定性的协同提升。相关成果以“A high-polarity molecular-anchor design for stable high-mobility perovskite transistors”为题，发表于《NatureElectronics》期刊。

锡基钙钛矿晶体管兼具优异的载流子输运性能和低温溶液加工优势，在柔性电子与新型显示等领域具有应用潜力。然而，强栅极电场会驱动薄膜中的离子迁移并在界面附近积累，引发电流–电压回滞和阈值电压漂移，影响器件稳定运行。传统添加剂主要通过改善成膜质量、钝化缺陷等方式抑制离子迁移，难以充分抵抗电场的持续驱动。因此，如何通过分子设计增强离子锚定，是这类器件兼顾高迁移率与高稳定性的重要挑战。

针对上述问题，研究团队提出通过提高分子极性增强双端离子锚定的设计思路。添加剂中的含氟基团和铵基基团可通过氢键分别结合钙钛矿中的有机阳离子和卤素阴离子。提高分子极性能够进一步增强两端基团与相应离子的结合，从而抑制场致离子迁移。基于这一思路，团队从约1.18亿个有机分子的化学空间出发，通过高通量第一性原理计算，结合分子尺寸与构型复杂度筛选，确定了14种高极性候选添加剂。合适的分子尺寸使添加剂不易诱导形成二维钙钛矿相，有助于保持连续的载流子输运通道。

图1 高极性添加剂的分子设计与筛选框架

研究团队选取其中5种添加剂开展实验验证，发现器件迁移率和开关比与添加剂极性总体呈正相关。理论与实验结果表明，高分子极性带来的强离子锚定能够调控结晶过程，提高薄膜质量。其中，采用CF₃PEA添加剂的晶体管最高场效应迁移率达到41.3 cm²V^-1s^-1，并在连续9000次开关循环测试中保持稳定运行。

图2 添加剂极性对薄膜结晶和晶体管性能的影响及物理机制

该工作将分子极性确立为离子锚定添加剂设计的重要指标，为无铅锡基钙钛矿晶体管兼顾高效载流子输运与稳定运行提供了新的研究思路，也为其他功能有机分子的定向设计提供了参考。

吉林大学材料科学与工程学院为唯一通讯单位。张立军教授、王海波教授为共同通讯作者，鼎新学者博士后王新江、王雪为论文共同第一作者。该工作得到了国家基金委青年科学基金A类项目及创新研究群体A类项目、NSFC-RGC联合科研资助基金重点项目、面上项目及青年科学基金C类项目、吉林省长白山实验室科技创新项目、博士后特别资助项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41928-026-01732-y