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III族氮化物由于其寬的直接帶隙與**的穩定性，被廣泛用于發光二極管（LED）、激光器和大功率/高頻電子器件。其中，高品質氮化鋁（AlN）薄膜的生長與深紫外LED的構筑是目前氮化物領域研究的重點與熱點。目前，AlN薄膜主要是通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）的方法異質外延生長在c-藍寶石、6H-SiC和Si（111）襯底上。然而，AlN與襯底之間存在較大的晶格失配與熱失配，使得外延層中存在較大的應力與較高的位錯密度，**降低器件性能。與此同時，AlN前驅體在這類襯底上遷移勢壘較高，浸潤性較差，傾向于三維島狀生長，需要一定的厚度才可以實現融合，增加了時間成本。

近日，有研究團隊開發出了石墨烯/藍寶石新型外延襯底，并提出了等離子體預處理改性石墨烯，促進AlN薄膜生長實現深紫外LED的新策略。在該工作中，研究人員利用CVD的方法，獲得了新型外延襯底——石墨烯/藍寶石襯底，此方法避免了石墨烯轉移過程中的污染、破損問題，目前已經實現了小批量規模化制備。通過DFT計算發現等離子體預處理向石墨烯中引入的吡咯氮，可以**促進AlN薄膜的成核生長。在較短的時間內即可獲得高品質AlN薄膜，其具有低的應力，較低的位錯密度，構筑的深紫外LED器件表現出了良好的器件性能。

圖1 藍寶石上石墨烯的生長與等離子體預處理

a) 兩英寸石墨烯/藍寶石襯底的實物照片，b) 石墨烯薄膜的光學顯微鏡照片，c) 石墨烯的邊緣層數，d) 石墨烯的原子像，e) 石墨烯薄膜在經過氮等離子體預處理前后的拉曼光譜，f) 石墨烯經氮等離子體處理后的C1s XPS譜圖，g) N1s XPS 譜圖，h) Al原子與氮等離子體預處理引入的吡咯N的吸附能，i) 石墨烯與AlN薄膜界面的差分電荷分布圖，j) 與N不同近鄰位置Cπ軌道態密度。

圖2 AIN薄膜在石墨烯/藍寶石襯底上的快速生長

a) AlN薄膜在等離子體預處理的石墨烯/藍寶石襯底上的生長過程示意圖，AlN優先在N缺陷位置處成核，前驅體在石墨烯薄膜上快速遷移，促進AlN橫向生長，在短時間內獲得平整薄膜，b) AlN在等離子體預處理的石墨烯/藍寶石襯底上成核階段的AFM圖，c) AlN在傳統藍寶石襯底和等離子體預處理的石墨烯/藍寶石襯底上成核密度與尺寸分布統計結果，d) 在等離子體預處理的石墨烯/藍寶石襯底上獲得的AlN 薄膜的SEM圖，e) 在等離子體預處理的石墨烯/藍寶石襯底上獲得的AlN 薄膜的AFM圖，f) 在傳統藍寶石襯底和等離子體預處理的石墨烯/藍寶石襯底上獲得的AlN薄膜的Raman表征，證明石墨烯可以**釋放應力，g) 等離子體預處理的石墨烯/藍寶石襯底上（0002）AlN薄膜的XRD 搖擺曲線，證明石墨烯可以**降低位錯密度。

圖3 AIN與石墨烯/藍寶石襯底的外延關系

a) AlN/Graphene/Al2O3的XRD-φ掃描，b) AlN/Graphene/Al2O3界面的選區電子衍射，AlN晶胞相比于Al2O3晶胞旋轉30°，c) AlN/Graphene/Al2O3的界面結構示意圖，d) AlN/Graphene/Al2O3界面STEM圖，e) 與(d)圖相對應的Al元素的EDS面掃描結果，f) 原子分辨的AlN/Graphene/Al2O3界面，可以看到石墨烯存在。

該工作成功的實現了AlN薄膜在石墨烯/藍寶石襯底上的準范德華外延生長，并構筑了高性能石墨烯基深紫外LED器件。DFT計算表明，在AlN生長之前，等離子體處理引入的吡咯N可以地促進AlN成核的成核能力并提高生長速率。單層石墨烯的存在沒有改變藍寶石襯底與AlN薄膜的外延關系，保證了單晶薄膜的生長，而且由于較弱的界面相互作用**地降低了AlN薄膜的位錯密度與應力。構筑的深紫外LED具有低的開啟電壓，較高的輸出功率和出色的可靠性。相比于傳統工藝，此方法還省略了低溫緩沖層，節省MOCVD生長機時，降低成本。該工作為AlN薄膜的生長提供了新思路，并為石墨烯的大規模關鍵應用提供了切實可行的方法。