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北京大學(xué)劉忠范教授聯(lián)合韓國(guó)蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)研究所--藍(lán)寶石上直接生長(zhǎng)納米級(jí)圖案化石墨烯用于發(fā)光二極管
       通過(guò)避免轉(zhuǎn)移引起的問題,在功能基底上直接生長(zhǎng)石墨烯薄膜對(duì)其大規(guī)模應(yīng)用非常有益。值得注意的是,選擇性生長(zhǎng)圖案化石墨烯將進(jìn)一步推動(dòng)石墨烯基器件的發(fā)展。在這里,實(shí)現(xiàn)了在納米圖案化藍(lán)寶石基底(NPSS)的c-面上直接生長(zhǎng)圖案化石墨烯,它在紫外發(fā)光二極管(UV-LED)應(yīng)用中顯示出優(yōu)越的性能。利用密度泛函理論(DFT)計(jì)算發(fā)現(xiàn),與r-面相比,藍(lán)寶石c-面上的甲烷裂解和活性碳物質(zhì)擴(kuò)散的能壘相對(duì)較低,且提供了充足的碳前驅(qū)體用于石墨烯生長(zhǎng)。此外,還證實(shí)了在NPSS的c面上合成的圖案化石墨烯是單層且高質(zhì)量的。圖案化的石墨烯可以實(shí)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(jìn)AlN的快速橫向外延生長(zhǎng),從而得到低位錯(cuò)密度的單晶AlN薄膜。該工作所構(gòu)建的UV-LED顯示出高的發(fā)光強(qiáng)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(yīng)用中取得很大進(jìn)步。
 
Figure 1. NPSS 的c面上選擇性生長(zhǎng)石墨烯。 a)選擇性生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)。 d)圖案化石墨烯的原子分辨圖,顯示出高的結(jié)晶度。
 
 
Figure 3. 通過(guò)調(diào)節(jié)碳前驅(qū)物和系統(tǒng)壓力,在NPSS上可控生長(zhǎng)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(zhì)量的AlN膜快速生長(zhǎng),及其在高性能LED中的應(yīng)用。 a-b)圖案化石墨烯/NPSS上AlN成核階段以及生長(zhǎng)的AlN薄膜SEM圖。c)所生長(zhǎng)的AlN薄膜的TEM暗場(chǎng)像。d)不同條件下生長(zhǎng)的AlN薄膜的FWHM直方圖。e)有無(wú)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(xué)劉忠范教授聯(lián)合韓國(guó)蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)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(hào):

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