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展。在這里，實現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，它在紫外發光二極管（UV-LED）應用中顯示出優越的性能。利用密度泛函理論（DFT）計算發現，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顯示出高的發光強度和穩定性。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. 通過調節碳前驅物和系統壓力，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的歸一化電致發光光譜。
該研究工作由北京大學劉忠范教授聯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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