通過避免轉移引起的問題，在功能基底上直接生長石墨烯薄膜對其大規(guī)模應用非常有益。值得注意的是，選擇性生長圖案化石墨烯將進一步推動石墨烯基器件的發(fā)展。在這里，實現(xiàn)了在納米圖案化藍寶石基底（NPSS）的c-面上直接生長圖案化石墨烯，它在紫外發(fā)光二極管（UV-LED）應用中顯示出優(yōu)越的性能。利用密度泛函理論（DFT）計算發(fā)現(xiàn)，與r-面相比，藍寶石c-面上的甲烷裂解和活性碳物質擴散的能壘相對較低，且提供了充足的碳前驅體用于石墨烯生長。此外，還證實了在NPSS的c面上合成的圖案化石墨烯是單層且高質量的。圖案化的石墨烯可以實現(xiàn)氮化鋁（AlN）的選擇性成核，從而保障了成核取向的一致性，并促進AlN的快速橫向外延生長，從而得到低位錯密度的單晶AlN薄膜。該工作所構建的UV-LED顯示出高的發(fā)光強度和穩(wěn)定性。該方法適用于獲得各種圖案化石墨烯，這在石墨烯前??沿應用中取得很大進步。
Figure 1. NPSS 的c面上選擇性生長石墨烯。 a）選擇性生長的示意圖。 b）具有凹三角錐的NPSS表面的原子力顯微鏡高度圖。 c）SEM圖。 d）典型拉曼光譜。
Figure 2. 在NPSS 的c面上生長的圖案化石墨烯的表征。 a）全范圍XPS光譜。 b）C 1s XPS光譜。 c）圖案化石墨烯邊緣的代表性TEM圖顯示其單層結構。 d）圖案化石墨烯的原子分辨圖，顯示出高的結晶度。
Figure 3. 通過調節(jié)碳前驅物和系統(tǒng)壓力，在NPSS上可控生長石墨烯。a-b）常壓、低壓體系下NPSS表面氣體流速的二維模擬分布。c）滿層石墨烯的SEM圖。d）滿層石墨烯覆蓋的NPSS的典型拉曼光譜。
Figure 4. 圖案化石墨烯促使高質量的AlN膜快速生長，及其在高性能LED中的應用。 a-b）圖案化石墨烯/NPSS上AlN成核階段以及生長的AlN薄膜SEM圖。c）所生長的AlN薄膜的TEM暗場像。d）不同條件下生長的AlN薄膜的FWHM直方圖。e）有無圖案化石墨烯的NPSS上的UV-LED電致發(fā)光光譜比較。f）圖案化石墨烯/NPSS上制備的UV-LED的歸一化電致發(fā)光光譜。
該研究工作由北京大學劉忠范教授聯(lián)合韓國蔚山國立科學技術研究所Feng Ding（通訊作者）等人于2020年發(fā)表在Adv. Funct. Mater.期刊上。原文：Direct Growth of Nanopatterned Graphene on Sapphire and Its Application in Light Emitting Diodes。
摘自《石墨烯雜志》公眾號：
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