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张立军教授团队针对无铅锡基钙钛矿晶体管的运行稳定性问题，提出了一种以分子极性为导向的离子锚定添加剂设计策略。通过增强添加剂与半导体薄膜中易迁移离子的相互作用，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。基于上述策略，研究团队构建“理论设计—数据驱动筛选—实验验证”协同研发模式，高效筛选并设计高极性添加剂分子，最优器件迁移率达到41.3 cm2 V-1 s-1，并在9000次连续开关循环后保持稳定运行。该工作建立了以分子极性调控离子锚定的添加剂设计原则，为无铅锡基电子器件兼顾高效载流子输运与稳定运行提供了理论依据和实现路径。相关成果以“A high-polarity molecular-anchor design for stable high-mobility perovskite transistors”为题，发表于《Nature Electronics》期刊。
无铅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。近年来，部分器件的场效应迁移率已接近商用多晶硅晶体管水平。随着迁移率差距逐渐缩小，研究关注进一步延伸至持续偏压和反复开关条件下的运行稳定性。然而，晶体管中强栅极电场会驱动离子沿薄膜表面及晶界迁移，并在栅介质与沟道界面附近积累，屏蔽外加电场、改变载流子密度，进而引发电流—电压回滞和阈值电压漂移，降低器件的运行稳定性。传统添加剂策略主要通过改善成膜质量、钝化缺陷等方式被动抑制离子迁移，难以充分抵抗强栅极电场的持续驱动。因此，如何通过添加剂分子设计主动锚定易迁移离子，并使锚定强度足以抑制场致离子迁移，是这类器件兼顾高迁移率与高稳定性、推动实际应用的关键问题。
针对这一问题，研究团队采用理论设计与实验验证相结合的研究模式，提出通过分子极性放大双端离子锚定强度抑制场致离子迁移的添加剂设计思路。具体而言，同时具有含氟基团和铵基基团的添加剂分子，能够通过氢键作用分别结合钙钛矿晶格中最易迁移的有机阳离子和卤素阴离子，实现双端离子锚定。在此基础上，调控这类添加剂的分子极性，能够进一步强化氟和铵基基团的得或失电子能力，增强其与相应离子的氢键结合，从而放大双端离子锚定强度，抑制场致离子迁移。
基于这一创新思路，研究团队构建了以分子极性为核心指标、兼顾小分子尺寸与低构型复杂度的高通量添加剂设计流程。首先，从包含约1.18亿个有机分子的化学空间出发，逐级筛选出1081种以卤化物盐形式存在的含氟有机铵添加剂分子。进而，通过分子偶极矩的高通量第一性原理计算，结合分子尺寸、构型复杂度等必要约束，最终确定14种高极性候选添加剂分子。合适的分子尺寸使这些候选添加剂不易诱导形成二维钙钛矿相，在增强离子锚定的同时能够保持三维钙钛矿中连续的载流子输运通道。
研究团队选取5种高极性候选添加剂开展进一步实验研究，并以低极性分子作为对照，发现晶体管的场效应迁移率和开关比与所使用的添加剂分子极性总体呈明显正相关。为揭示这一宏观性能变化背后的微观机制，研究团队通过理论与实验结合，系统探究了添加剂分子本征特性、离子结合强度、薄膜结晶质量与晶体管性能间的跨尺度关联。静电势与结合能计算表明，含氟端较低的静电势与铵基端较高的静电势，有利于分别增强与有机阳离子和卤素阴离子的结合。较强的离子结合能够降低钙钛矿结晶速率，优化晶体取向，提高薄膜质量。X射线衍射结果验证了这一分析，较强的离子结合对应更大的薄膜（100）衍射峰积分面积，而薄膜结晶质量的改善与晶体管迁移率的提升呈现一致趋势。
最终，在实验验证的添加剂中，CF3PEA添加剂兼具高分子极性与合适的分子构型，其含氟端和铵基端分别具有最低和最高的静电势极值，增强了与相应易迁移离子的结合强度，使薄膜呈现更高的（100）取向结晶。采用该添加剂的无铅锡基晶体管，最高场效应迁移率达到41.3 cm2 V-1 s-1，并在连续9000次开关循环测试中保持稳定运行。这些结果表明，增强离子锚定能够在保持高效载流子输运的同时，减弱离子迁移对栅极调控的干扰，实现迁移率与运行稳定性的协同提升。该工作将分子极性确立为添加剂设计的重要指标，把分子本征特性与器件稳定运行的需求相关联，为新型添加剂的定向开发建立了理论设计与实验验证相结合的研究框架。这一框架有望进一步用于其他新型添加剂及功能有机分子的合理设计，拓展分子工程在结晶调控、缺陷钝化及离子迁移抑制中的应用。
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为论文唯一通讯单位。在线娱乐城-线上娱乐平台
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，以及吉林大学高性能计算中心提供的计算资源支持。
论文详情：
Xinjiang Wang#, Xue Wang#, Muchen Li, Kun Zhou, Xiaoyu Wang, Shulin Luo, Xueting Wang, Haibo Wang* and Lijun Zhang*. A high-polarity molecular-anchor design for stable high-mobility perovskite transistors. Nature Electronics (2026)
论文全文链接：
//doi.org/10.1038/s41928-026-01732-y
