第一性原理研究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

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东南大学电子科学与工程学院 作者:李巧芬

  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结构的变化。通过对能带结构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,得到不同能带结构和态密度分布,同时计算了相应的二次电子发射系数。结果表明空缺的形成,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结构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。

三电极结构PDP示意图

图1  三电极结构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。研究表明,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进行简单分析,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电子结构的影响,计算了相应的能带结构和态密度分布。在此基础上利用基于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。计算结果表明,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Material Studio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结构比较精确的方法。

  首先用局域密度近似法对MgO晶体模块进行几何优化,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 以得到较为精确的结果,倒空间K点取值为6×6×6 ;SCF 误差为1.0 ×10 -6 eV·atom-1 。然后,对优化后的理论模型进行单电子能量计算,并对电子能量计算的结果进行能带结构(Band structure)、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F 2 + 色心。建模时,F、F+ 和F 2+ 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还原(Thermochemical Reduction)  、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,在此基础上,可建立具有各种空缺的MgO 晶体结构模型。

MgO 晶体模型(深黑色:氧原子,浅灰色:镁原子)

图2  MgO 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+ 、F 2+ 空缺的MgO 晶体的电子结构的变化情况,通过对能带结构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。基于能带结构的计算结果,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 。结果表明MgO 晶体中形成空缺后,改变了原有晶体的电子结构,在禁带中形成空缺能级,更容易激发二次电子。其中形成F 空缺后,二次电子发射系数提高最大,其次是F+ 和F 2+ 空缺。二次电子发射系数的提高,可有效降低PDP 的着火电压和维持电压,提高放电效率。

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