利用CVD方法石墨烯/蓝宝石新型外延衬底生长氮化铝（AlN）薄膜-UDP糖丨MOF丨金属有机框架丨聚集诱导发光丨推荐西安齐岳生物 -

III族氮化物由于其宽的直接带隙与**的稳定性，被广泛用于发光二极管（LED）、激光器和大功率/高频电子器件。其中，高品质氮化铝（AlN）薄膜的生长与深紫外LED的构筑是目前氮化物领域研究的重点与热点。目前，AlN薄膜主要是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法异质外延生长在c-蓝宝石、6H-SiC和Si（111）衬底上。然而，AlN与衬底之间存在较大的晶格失配与热失配，使得外延层中存在较大的应力与较高的位错密度，**降低器件性能。与此同时，AlN前驱体在这类衬底上迁移势垒较高，浸润性较差，倾向于三维岛状生长，需要一定的厚度才可以实现融合，增加了时间成本。

近日，有研究团队开发出了石墨烯/蓝宝石新型外延衬底，并提出了等离子体预处理改性石墨烯，促进AlN薄膜生长实现深紫外LED的新策略。在该工作中，研究人员利用CVD的方法，获得了新型外延衬底——石墨烯/蓝宝石衬底，此方法避免了石墨烯转移过程中的污染、破损问题，目前已经实现了小批量规模化制备。通过DFT计算发现等离子体预处理向石墨烯中引入的吡咯氮，可以**促进AlN薄膜的成核生长。在较短的时间内即可获得高品质AlN薄膜，其具有低的应力，较低的位错密度，构筑的深紫外LED器件表现出了良好的器件性能。

图1 蓝宝石上石墨烯的生长与等离子体预处理

a) 两英寸石墨烯/蓝宝石衬底的实物照片，b) 石墨烯薄膜的光学显微镜照片，c) 石墨烯的边缘层数，d) 石墨烯的原子像，e) 石墨烯薄膜在经过氮等离子体预处理前后的拉曼光谱，f) 石墨烯经氮等离子体处理后的C1s XPS谱图，g) N1s XPS 谱图，h) Al原子与氮等离子体预处理引入的吡咯N的吸附能，i) 石墨烯与AlN薄膜界面的差分电荷分布图，j) 与N不同近邻位置Cπ轨道态密度。

图2 AIN薄膜在石墨烯/蓝宝石衬底上的快速生长

a) AlN薄膜在等离子体预处理的石墨烯/蓝宝石衬底上的生长过程示意图，AlN优先在N缺陷位置处成核，前驱体在石墨烯薄膜上快速迁移，促进AlN横向生长，在短时间内获得平整薄膜，b) AlN在等离子体预处理的石墨烯/蓝宝石衬底上成核阶段的AFM图，c) AlN在传统蓝宝石衬底和等离子体预处理的石墨烯/蓝宝石衬底上成核密度与尺寸分布统计结果，d) 在等离子体预处理的石墨烯/蓝宝石衬底上获得的AlN 薄膜的SEM图，e) 在等离子体预处理的石墨烯/蓝宝石衬底上获得的AlN 薄膜的AFM图，f) 在传统蓝宝石衬底和等离子体预处理的石墨烯/蓝宝石衬底上获得的AlN薄膜的Raman表征，证明石墨烯可以**释放应力，g) 等离子体预处理的石墨烯/蓝宝石衬底上（0002）AlN薄膜的XRD 摇摆曲线，证明石墨烯可以**降低位错密度。

图3 AIN与石墨烯/蓝宝石衬底的外延关系

a) AlN/Graphene/Al2O3的XRD-φ扫描，b) AlN/Graphene/Al2O3界面的选区电子衍射，AlN晶胞相比于Al2O3晶胞旋转30°，c) AlN/Graphene/Al2O3的界面结构示意图，d) AlN/Graphene/Al2O3界面STEM图，e) 与(d)图相对应的Al元素的EDS面扫描结果，f) 原子分辨的AlN/Graphene/Al2O3界面，可以看到石墨烯存在。

该工作成功的实现了AlN薄膜在石墨烯/蓝宝石衬底上的准范德华外延生长，并构筑了高性能石墨烯基深紫外LED器件。DFT计算表明，在AlN生长之前，等离子体处理引入的吡咯N可以地促进AlN成核的成核能力并提高生长速率。单层石墨烯的存在没有改变蓝宝石衬底与AlN薄膜的外延关系，保证了单晶薄膜的生长，而且由于较弱的界面相互作用**地降低了AlN薄膜的位错密度与应力。构筑的深紫外LED具有低的开启电压，较高的输出功率和出色的可靠性。相比于传统工艺，此方法还省略了低温缓冲层，节省MOCVD生长机时，降低成本。该工作为AlN薄膜的生长提供了新思路，并为石墨烯的大规模关键应用提供了切实可行的方法。