We report our findings on the optical properties of grain boundaries in GaN films grown on graphene layers and discuss their atomistic origin. We combine electron backscatter diffraction with cathodoluminescence to directly correlate the structural defects with their optical properties, enabling the high-precision local luminescence measurement of the grain boundaries in GaN films. To further understand the atomistic origin of the luminescence properties, we carefully probed atomic core structures of the grain boundaries by exploiting aberration-corrected scanning transmission electron microscopy. The atomic core structures of grain boundaries show different ordering behaviors compared with those observed previously in threading dislocations. Energetics of the grain boundary core structures and their correlation with electronic structures were studied by first principles calculation.

1.
S.
Chichibu
,
T.
Azuhata
,
T.
Sota
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
4188
(
1996
).
2.
Y.
Narukawa
,
Y.
Kawakami
,
M.
Funato
,
S.
Fujita
,
S.
Fujita
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
981
(
1997
).
3.
S.
Chichibu
,
K.
Wada
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
2346
(
1997
).
4.
K.
Chung
,
C.-H.
Lee
, and
G.-C.
Yi
,
Science
330
,
655
(
2010
).
5.
K.
Chung
,
S. I.
Park
,
H.
Baek
,
J. S.
Chung
, and
G.-C.
Yi
,
NPG Asia Mater.
4
,
e24
(
2012
).
6.
Y.
Kobayashi
,
K.
Kumakura
,
T.
Akasaka
, and
T.
Makimoto
,
Nature
484
,
223
(
2012
).
7.
C.-H.
Lee
,
Y.-J.
Kim
,
Y. J.
Hong
,
S.-R.
Jeon
,
S.
Bae
,
B. H.
Hong
, and
G.-C.
Yi
,
Adv. Mater.
23
,
4614
(
2011
).
8.
J. M.
Lee
,
J. W.
Choung
,
J.
Yi
,
D. H.
Lee
,
M.
Samal
,
D. K.
Yi
,
C.-H.
Lee
,
G.-C.
Yi
,
U.
Paik
,
J. A.
Rogers
, and
W. I.
Park
,
Nano Lett.
10
,
2783
(
2010
).
9.
H.
Yoo
,
K.
Chung
,
Y. S.
Choi
,
C. S.
Kang
,
K. H.
Oh
,
M.
Kim
, and
G.-C.
Yi
,
Adv. Mater.
24
,
515
(
2012
).
10.
H.
Yoo
,
K.
Chung
,
S. I.
Park
,
M.
Kim
, and
G.-C.
Yi
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
051908
(
2013
).
11.
H.
Baek
,
C.-H.
Lee
,
K.
Chung
, and
G.-C.
Yi
,
Nano Lett.
13
,
2782
(
2013
).
12.
N.
Han
,
T.
Viet Cuong
,
M.
Han
,
B.
Deul Ryu
,
S.
Chandramohan
,
J.
Bae Park
,
J.
Hye Kang
,
Y.-J.
Park
,
K.
Bok Ko
,
H.
Yun Kim
,
H.
Kyu Kim
,
J.
Hyoung Ryu
,
Y. S.
Katharria
,
C.-J.
Choi
, and
C.-H.
Hong
,
Nat. Commun.
4
,
1452
(
2013
).
13.
A.
Yamada
,
K. P.
Ho
,
T.
Akaogi
,
T.
Maruyama
, and
K.
Akimoto
,
J. Cryst. Growth
201
,
332
(
1999
).
14.
A.
Yamada
,
K. P.
Ho
,
T.
Maruyama
, and
K.
Akimoto
,
Appl. Phys. A-Mater. Sci. Process.
69
,
89
(
1999
).
15.
J.
Liao
,
B.
Sa
,
J.
Zhou
,
R.
Ahuja
, and
Z.
Sun
,
J. Phys. Chem. C
118
,
17594
(
2014
).
16.
H.
Zhang
,
Y.-N.
Zhang
,
H.
Liu
, and
L.-M.
Liu
,
J. Mater. Chem. A
2
,
15389
(
2014
).
17.
K.
Chung
,
H.
Yoo
,
J. K.
Hyun
,
H.
Oh
,
Y.
Tchoe
,
K.
Lee
,
H.
Baek
,
M.
Kim
, and
G. C.
Yi
,
Adv. Mater.
28
,
7688
(
2016
).
18.
Y.
Zhang
,
X.
Li
,
L.
Wang
,
X.
Yi
,
D.
Wu
,
H.
Zhu
, and
G.
Wang
,
Nanoscale
4
,
5852
(
2012
).
19.
S. D.
Lester
,
F. A.
Ponce
,
M. G.
Craford
, and
D. A.
Steigerwald
,
Appl. Phys. Lett.
66
,
1249
(
1995
).
20.
F. A.
Ponce
,
D. P.
Bour
,
W.
Gotz
, and
P. J.
Wright
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
57
(
1996
).
21.
S. J.
Rosner
,
E. C.
Carr
,
M. J.
Ludowise
,
G.
Girolami
, and
H. I.
Erikson
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
420
(
1997
).
22.
T.
Sugahara
,
H.
Sato
,
M.
Hao
,
Y.
Naoi
,
S.
Kurai
,
S.
Tottori
,
K.
Yamashita
,
K.
Nishino
,
L.
Romano
, and
S.
Sakai
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
37
,
L398
(
1998
).
23.
J.
Elsner
,
R.
Jones
,
M. I.
Heggie
,
P. K.
Sitch
,
M.
Haugk
,
T.
Frauenheim
,
S.
Öberg
, and
P. R.
Briddon
,
Phys. Rev. B
58
,
12571
(
1998
).
24.
J.
Elsner
,
R.
Jones
,
P.
Sitch
,
V.
Porezag
,
M.
Elstner
,
T.
Frauenheim
,
M.
Heggie
,
S.
Öberg
, and
P.
Briddon
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
3672
(
1997
).
25.
S. M.
Lee
,
M. A.
Belkhir
,
X. Y.
Zhu
,
Y. H.
Lee
,
Y. G.
Hwang
, and
T.
Frauenheim
,
Phys. Rev. B
61
,
16033
(
2000
).
26.
K.
Leung
,
A. F.
Wright
, and
E. B.
Stechel
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
2495
(
1999
).
27.
A. F.
Wright
and
U.
Grossner
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
2751
(
1998
).
28.
J.
Jo
,
H.
Yoo
,
S.-I.
Park
,
J. B.
Park
,
S.
Yoon
,
M.
Kim
, and
G.-C.
Yi
,
Adv. Mater.
26
,
2011
(
2014
).
29.
Y.
Xin
,
S. J.
Pennycook
,
N. D.
Browning
,
P. D.
Nellist
,
S.
Sivananthan
,
F.
Omnes
,
B.
Beaumont
,
J. P.
Faurie
, and
P.
Gibart
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
2680
(
1998
).
30.
P.
Ruterana
,
V.
Potin
,
G.
Nouet
,
R.
Bonnet
, and
M.
Loubradou
,
Mater. Sci. Eng. B-Solid State Mater.
59
,
177
(
1999
).
31.
A.
Béré
and
A.
Serra
,
Phys. Rev. B
65
,
205323
(
2002
).
32.
V.
Potin
,
P.
Ruterana
,
G.
Nouet
,
R.
Pond
, and
H.
Morkoç
,
Phys. Rev. B
61
,
5587
(
2000
).
33.
A.
Bourret
,
J.
Rouviere
, and
J.
Penisson
,
Acta Crystallogr. Sect. A
44
,
838
(
1988
).
34.
Y.
Xin
,
E.
James
,
I.
Arslan
,
S.
Sivananthan
,
N.
Browning
,
S.
Pennycook
,
F.
Omnes
,
B.
Beaumont
,
J.
Faurie
, and
P.
Gibart
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
466
(
2000
).
35.
P.
Nellist
and
S.
Pennycook
,
Ultramicroscopy
78
,
111
(
1999
).
36.
I.
Arslan
,
A.
Bleloch
,
E. A.
Stach
, and
N. D.
Browning
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
025504
(
2005
).
37.
A.
Bere
and
A.
Serra
,
Philos. Mag.
86
,
2159
(
2006
).
38.
J.
Chen
,
P.
Ruterana
, and
G.
Nouet
,
Phys. Status Solidi A-Appl. Mater.
203
,
247
(
2006
).
39.
J.
Neugebauer
and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
503
(
1996
).
40.
S.
Yoon
,
H.
Yoo
,
S.-H.
Kang
,
M.
Kim
, and
Y.-K.
Kwon
,
Sci. Rep.
8
,
4647
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.