基于密度泛函理論的第一原理贗勢法,研究了PDP放電單元中MgO保護層在形成氧空缺后的電子結構的變化。通過對能帶結構和態密度分布的計算,可以看到MgO形成氧空缺后在禁帶中引入了能級。本文計算了完整MgO以及含F、F⁺ 、F²⁺空缺的MgO晶體,得到不同能帶結構和態密度分布,同時計算了相應的二次電子發射系數。結果表明空缺的形成,可有效提高二次電子發射系數,其中形成F 空缺的MgO晶體的二次電子發射系數最大。

　　彩色等離子體平板顯示,具有大屏幕、寬視角、高亮度、高對比度、色彩鮮艷、全數字化等一系列優點,已成為大屏幕高清晰度電視(HDTV) 的理想顯示器件。但是它還存在許多問題,如效率低、功耗大、價格高等等。為此,仍需進行大量深入的研究,主要集中在優化放電單元結構和驅動方法、氣體成份和配比的優化、新材料的應用等。其中放電單元MgO保護層特性的研究,越來越受到人們的重視。

　　圖1 為目前常用的三電極結構PDP的示意圖,它由上下玻璃基板、緊貼基板的介質層、MgO保護層,介質障壁及電極組成。其中MgO保護層一方面具有高的抗轟擊性,可保護介質層不受離子轟擊;另一方面它具有較高的二次電子發射系數,從而可有效降低著火電壓,提高放電效率。

圖1 　三電極結構PDP示意圖

　　眾所周知,在PDP中提高MgO保護層的二次電子發射系數是降低著火電壓和維持電壓,提高放電效率的一個有效途徑。研究表明,通過對保護層摻雜,形成空缺等方法,可提高保護層的二次發射系數。迄今為止,已經有一些關于MgO 體的理論研究 。但對于MgO晶體中的空缺對二次電子發射系數的影響,僅是從較為近似理論公式出發進行簡單分析，仍需進一步的深入研究。

　　本文首先利用第一性原理分析MgO晶體中形成空缺后對MgO電子結構的影響,計算了相應的能帶結構和態密度分布。在此基礎上利用基于Hagstrum理論的近似公式求解了存在不同空缺情況下,PDP放電單元中MgO的二次電子發射系數γ值。計算結果表明,當MgO晶體中形成空缺后,在晶體禁帶中會形成空缺能級。由能帶理論的分析可以看到,禁帶中的空缺能級對PDP中MgO的二次電子發射具有較大影響。

1、計算模型

　　本文的計算均采用美國Accelrys公司Material Studio軟件中CASTEP模塊。CASTEP模塊是基于密度泛函的量子力學程序。它利用平面波贗勢方法,交換和糾正勢能,有局域密度近似(LDA) 和廣義梯
度近似(GGA) 兩種近似,這兩種計算方法是目前計算電子結構比較精確的方法。

　　首先用局域密度近似法對MgO晶體模塊進行幾何優化,為了提高計算速度,對不同元素均采用超軟贗勢,動能截止能量設為500eV 以得到較為精確的結果,倒空間K點取值為6×6×6 ;SCF 誤差為1.0 ×10 ^-6 eV·atom^-1 。然后,對優化后的理論模型進行單電子能量計算,并對電子能量計算的結果進行能帶結構(Band structure)、態密度(DOS)和局域態密度(PDOS)分析。

　　MgO 為NaCl 型晶體,建立的晶胞含有14個Mg和13個O原子,其晶胞參數a 為4.217A^。。色心是指晶體中存在的能對特定波長的光產生吸收的點空缺,而F 色心是俘獲了電子的負離子空位。MgO晶體缺失氧原子,形成氧空缺,其中氧空缺俘獲2個電子為F 色心,俘獲一個電子則為F⁺ 色心,沒有俘獲電子就是F ^{2 +} 色心。建模時,F、F⁺ 和F ²⁺ 色心是直接移去MgO 晶體體心的一個中性氧原子,分別使整個晶胞不帶電、帶正一價電荷和帶正二價電荷。色心一般可以通過熱化學還原(Thermochemical Reduction)  、高能粒子輻射等方法有效地引入MgO 晶體,通過控制形成氧空缺的實驗條件來控制形成缺陷的濃度和種類 。

　　完整的MgO 晶體模型如圖2 所示,在此基礎上,可建立具有各種空缺的MgO 晶體結構模型。

圖2 　MgO 晶體模型(深黑色:氧原子,淺灰色:鎂原子)

　　限于篇幅，文章第二章節的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

3、結論

　　本文利用第一原理的方法來計算了完整MgO以及含F、F⁺ 、F ²⁺ 空缺的MgO 晶體的電子結構的變化情況,通過對能帶結構和態密度分布的計算,可以看到MgO 形成氧空缺后在禁帶中引入了能級。在PDP 中,二次電子發射現象往往是在俄歇過程中產生的,其中主要的過程是俄歇中和和俄歇去激。基于能帶結構的計算結果,利用Hagstrum 理論模型,本文分別計算了存在不同空缺情況下,PDP 放電單元中,俄歇中和和俄歇去激過程MgO 的二次電子發射系數γN 、γD 。結果表明MgO 晶體中形成空缺后,改變了原有晶體的電子結構,在禁帶中形成空缺能級,更容易激發二次電子。其中形成F 空缺后,二次電子發射系數提高最大,其次是F⁺ 和F ²⁺ 空缺。二次電子發射系數的提高,可有效降低PDP 的著火電壓和維持電壓,提高放電效率。