第一性原理分析PDP放电单元MgO保护层各种空缺对二次电子发射系数的影响

第一性原理分析PDP放电单元MgO保护层各种空缺对二次电子发射系数的影响基于密度泛函理论的第一原理赝势法,研究了PDP放电单元中MgO保护层在形成氧空缺后的电子构造的变化。通过对能带构造和态密度分布的计算,可以看到MgO形成氧空缺后在禁带中引入了能级。本文计算了完整MgO以及含F、F+、F2+空缺的MgO晶体,得到不同能带构造和态密度分布,同时计算了相应的二次电子发射系数。结果说明空缺的形成,可有效提高二次电子发射系数,其中形成F空缺的MgO晶体的二次电子发射系数最大。

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图1为目前常用的三电极构造PDP的示意图,它由上下玻璃基板、紧贴基板的介质层、MgO保护层,介质障壁及电极组成。其中MgO保护层一方面具有高的抗轰击性,可保护介质层不受离子轰击;另一方面它具有较高的二次电子发射系数,从而可有效降低着火电压,提高放电效率。

图1三电极构造PDP示意图

众所周知,在PDP中提高MgO保护层的二次电子发射系数是降低着火电压和维持电压,提高放电效率的一个有效途径。研究说明,通过对保护层掺杂,形成空缺等方法,可提高保护层的二次发射系数。迄今为止,已经有一些关于MgO体的理论研究。但对于MgO晶体中的空缺对二次电子发射系数的影响,仅是从较为近似理论公式出发开展简单分析，仍需进一步的深入研究。

本文首先利用第一性原理分析MgO晶体中形成空缺后对MgO电子构造的影响,计算了相应的能带构造和态密度分布。在此根底上利用基于Hagstrum理论的近似公式求解了存在不同空缺情况下,PDP放电单元中MgO的二次电子发射系数γ值。计算结果说明,当MgO晶体中形成空缺后,在晶体禁带中会形成空缺能级。由能带理论的分析可以看到,禁带中的空缺能级对PDP中MgO的二次电子发射具有较大影响。1、计算模型

本文的计算均采用美国Accelrys公司MaterialStudio软件中CASTEP模块。CASTEP模块是基于密度泛函的量子力学程序。它利用平面波赝势方法,交换和纠正势能,有局域密度近似(LDA)和广义梯

度近似(GGA)两种近似,这两种计算方法是目前计算电子构造比较准确的方法。

首先用局域密度近似法对MgO晶体模块开展几何优化,为了提高计算速度,对不同元素均采用超软赝势,动能截止能量设为500eV以得到较为准确的结果,倒空间K点取值为6×6×6;SCF误差为1.0×10-6eV·atom-1。然后,对优化后的理论模型开展单电子能量计算,并对电子能量计算的结果开展能带构造(Bandstructure)、态密度(DOS)和局域态密度(PDOS)分析。

MgO为NaCl型晶体,建立的晶胞含有14个Mg和13个O原子,其晶胞参数a为4.217A。。色心是指晶体中存在的能对特定波长的光产生吸收的点空缺,而F色心是俘获了电子的负离子空位。MgO晶体缺失氧原子,形成氧空缺,其中氧空缺俘获2个电子为F色心,俘获一个电子则为F+色心,没有俘获电子就是F2+色心。建模时,F、F+和F2+色心是直接移去MgO晶体体心的一个中性氧原子,分别使整个晶胞不带电、带正一价电荷和带正二价电荷。色心一般可以通过热化学复原(ThermochemicalReduction)、高能粒子辐射等方法有效地引入MgO晶体,通过控制形成氧空缺的实验条件来控制形成缺陷的浓度和种类。

完整的MgO晶体模型如图2所示,在此根底上,可建立具有各种空缺的MgO晶体构造模型。

图2MgO晶体模型(深黑色:氧原子,浅灰色:镁原子)

限于篇幅，文章第二章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。3、结论

本文利用第一原理的方法来计算了完整MgO以及含F、F+、F2+空缺的MgO晶体的电子构造的变化情况,通过对能带构造和态密度分布的计算,可以看到MgO形成氧空缺后在禁带中引入了能级。在PDP中,二次电子发射现象往往是在俄歇过程中产生的,其中主要的过程是俄歇中和和俄歇去激。基于能带构造的计算结果,利用Hagstrum理论模型,本文分别计算了存在不同空缺情况下,PDP放电单元中,俄歇中和和俄歇去激过程MgO的二次电子发射系数γN、γD。结果说明MgO晶体中形成空缺后,改变了原有晶体