通过避免转移引起的问题，在功能基底上直接生长石墨烯薄膜对其大规模应用非常有益。值得注意的是，选择性生长图案化石墨烯将进一步推动石墨烯基器件的发展。在这里，实现了在纳米图案化蓝宝石基底（NPSS）的c-面上直接生长图案化石墨烯，它在紫外发光二极管（UV-LED）应用中显示出优越的性能。利用密度泛函理论（DFT）计算发现，与r-面相比，蓝宝石c-面上的甲烷裂解和活性碳物质扩散的能垒相对较低，且提供了充足的碳前驱体用于石墨烯生长。此外，还证实了在NPSS的c面上合成的图案化石墨烯是单层且高质量的。图案化的石墨烯可以实现氮化铝（AlN）的选择性成核，从而保障了成核取向的一致性，并促进AlN的快速横向外延生长，从而得到低位错密度的单晶AlN薄膜。该工作所构建的UV-LED显示出高的发光强度和稳定性。该方法适用于获得各种图案化石墨烯，这在石墨烯前​​沿应用中取得很大进步。
 
Figure 1. NPSS 的c面上选择性生长石墨烯。 a）选择性生长的示意图。 b）具有凹三角锥的NPSS表面的原子力显微镜高度图。 c）SEM图。 d）典型拉曼光谱。
 

Figure 2. 在NPSS 的c面上生长的图案化石墨烯的表征。 a）全范围XPS光谱。 b）C 1s XPS光谱。 c）图案化石墨烯边缘的代表性TEM图显示其单层结构。 d）图案化石墨烯的原子分辨图，显示出高的结晶度。
 
 
Figure 3. 通过调节碳前驱物和系统压力，在NPSS上可控生长石墨烯。a-b）常压、低压体系下NPSS表面气体流速的二维模拟分布。c）满层石墨烯的SEM图。d）满层石墨烯覆盖的NPSS的典型拉曼光谱。
 

Figure 4. 图案化石墨烯促使高质量的AlN膜快速生长，及其在高性能LED中的应用。 a-b）图案化石墨烯/NPSS上AlN成核阶段以及生长的AlN薄膜SEM图。c）所生长的AlN薄膜的TEM暗场像。d）不同条件下生长的AlN薄膜的FWHM直方图。e）有无图案化石墨烯的NPSS上的UV-LED电致发光光谱比较。f）图案化石墨烯/NPSS上制备的UV-LED的归一化电致发光光谱。
 
      该研究工作由北京大学刘忠范教授联合韩国蔚山国立科学技术研究所Feng Ding（通讯作者）等人于2020年发表在Adv. Funct. Mater.期刊上。原文：Direct Growth of Nanopatterned Graphene on Sapphire and Its Application in Light Emitting Diodes。

摘自《石墨烯杂志》公众号：