采用第一性原理計(jì)算了MgO的電子結(jié)構(gòu)和激子光譜。通過(guò)解貝塞爾方程，得到MgO的吸收光譜，同時(shí)計(jì)算了MgO的激子束縛能。由計(jì)算結(jié)果知MgO中存在強(qiáng)烈的激子效應(yīng)，激子束縛能約83meV。在室溫條件下，由于MgO的激子束縛能大于熱能，因此激子效應(yīng)可能對(duì)等離子平板顯示單元的放電性能產(chǎn)生重要影響。本文還研究了不同布里淵k點(diǎn)密度下的MgO激子光譜，研究結(jié)果可幫助理解MgO晶體中激子的物理性質(zhì)。另外暗激子則被認(rèn)為是MgO暴露在真空紫外等離子輻射后另一可能的外電子發(fā)射源。

　　氧化鎂(MgO)薄膜作為等離子體顯示器件(PDP)中的介質(zhì)保護(hù)層，它的結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)直接影響到PDP的顯示效果以及器件性能和質(zhì)量。因此，對(duì)MgO薄膜的研究也愈加重視，其中為了降低PDP的功耗，就需要降低它的驅(qū)動(dòng)電壓。眾所周知提高M(jìn)gO保護(hù)層的二次電子發(fā)射系數(shù)C可以降低著火電壓和維持電壓，是提高放電效率的一個(gè)有效途徑。然而最近幾年研究人員發(fā)現(xiàn)MgO保護(hù)膜的外電子發(fā)射(Exo-electronEmission，簡(jiǎn)稱EEE)能力也非常重要，其重要性不亞于二次電子發(fā)射。外電子發(fā)射最初是由Tanaka發(fā)現(xiàn)，而Kramer進(jìn)一步研究表明經(jīng)過(guò)機(jī)械處理(例如:摩擦、扭曲、拉伸等)之后的金屬氧化物以及光照或加熱后的非金屬均有慢電子發(fā)射，輻射出去的電子稱之為/外電子0。PDP放電單元中的外電子發(fā)射，主要是由于俄歇效應(yīng)、熱能激發(fā)以及表面電場(chǎng)作用而導(dǎo)致的電子發(fā)射，Tolner在研究中對(duì)PDP中這三種外電子發(fā)射給出了詳細(xì)的描述。

　　目前普遍認(rèn)為MgO保護(hù)層材料的外電子發(fā)射是由注入到MgO或是MgO本身的電子和空穴的緩慢復(fù)合產(chǎn)生的。保護(hù)層MgO的外電子發(fā)射是PDP尋址期的引發(fā)粒子(priming電子)的重要來(lái)源，尋址時(shí)priming電子越多，尋址放電的jitter就越小(ts越短)，PDP的尋址時(shí)間就會(huì)越小。材料由于俄歇效應(yīng)自發(fā)輻射的外電子能夠成為PDP放電單元中的priming電子。不僅如此，熱致發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射所激發(fā)出的外電子也能夠成為PDP放電單元中priming電子。為了提高PDP的尋址速度，人們開(kāi)始研究如何改善MgO材料性能，以提高M(jìn)gO表面的外電子發(fā)射來(lái)提供足夠的priming電子。Matsushita等的研究證明了MgO的外電子發(fā)射在PDP中起著關(guān)鍵作用。外電子所在的能級(jí)，一般指位于導(dǎo)帶下方1eV以內(nèi)的淺位能級(jí)，從能帶結(jié)構(gòu)方面來(lái)研究如何改善MgO材料性能顯得非常重要。本文研究了考慮電子-空穴作用的MgO吸收光譜，分析了激子對(duì)外電子發(fā)射的影響，并解釋了激子對(duì)PDP尋址速度的提高的重要性。

　　1、材料結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算方法

　　MgO是立方體的氯化鈉(NaCl)結(jié)構(gòu)的離子晶體，如圖1所示。圖1是MgO晶體結(jié)構(gòu)，圖中大球是O離子，小球是Mg離子�？梢钥吹組gO晶胞包含有四個(gè)鎂和四個(gè)氧原子，每個(gè)鎂原子周圍有六個(gè)最近的氧原子，其對(duì)稱性滿足C4V。其晶格常數(shù)為a=b=c=0.4217nm，A=B=C=90b。本文采用了平面波贗勢(shì)結(jié)合局域梯度近似(LDA)的密度泛函理論方法算了理想MgO晶體的電子結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算相應(yīng)的激子光譜和激子束縛能，分別由軟件包Abinit和Yambo代碼計(jì)算。

圖1 MgO晶體結(jié)構(gòu)模型

　　基于第一性原理的多體微擾理論，計(jì)算了MgO的吸收光譜并研究了MgO中的激子。計(jì)算過(guò)程可分為三步:¹用LDA計(jì)算MgO電子結(jié)構(gòu)基態(tài);º然后采用GW近似算法(Green函數(shù)G與含屏蔽的相互作用W對(duì)體系自能做展開(kāi)，簡(jiǎn)稱GW)對(duì)材料本征態(tài)進(jìn)行糾正;»通過(guò)解貝塞爾(Bethe-Salpeter，簡(jiǎn)稱BS)方程來(lái)計(jì)算MgO的吸收光譜。計(jì)算模型為MgO原胞，LDA計(jì)算中Mg，O原子采用Norm-conservingTroullier-Martins型贗勢(shì)，波函數(shù)截?cái)嗄茉O(shè)為8.613eV，能帶總數(shù)為100，有效屏蔽常數(shù)(effective screening constants)E0采用6.0，采用6×6×6以#為中心的k網(wǎng)格點(diǎn)取值;GW計(jì)算糾正以及交換部分的波函數(shù)截?cái)嗄苋?.0eV，這時(shí)準(zhǔn)粒子能(Quas-iparticle，簡(jiǎn)稱QP)可收斂到011eV;相應(yīng)的響應(yīng)區(qū)大小設(shè)為(responseblocksize)102eV;解BS方程的時(shí)候，考慮電子-空穴對(duì)作用的能帶總共九條，包含費(fèi)米能級(jí)往下數(shù)四條價(jià)帶，費(fèi)米能級(jí)往上數(shù)五條導(dǎo)帶。當(dāng)Monkhors-tPackk點(diǎn)網(wǎng)格密度采用13×13×13時(shí)，激子束縛能收斂到0106eV。

　　3、結(jié)論

　　本文用第一性原理計(jì)算了MgO的電子結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)。采用GW算法適當(dāng)?shù)募m正了MgO的帶寬。考慮電子-空穴對(duì)作用后MgO的吸收光譜形狀發(fā)生改變，并與實(shí)驗(yàn)值符合得更好。結(jié)果顯示激子效應(yīng)很重要，計(jì)算結(jié)果顯示MgO激子束縛能約83meV，與實(shí)驗(yàn)值符合得很好。暗激子則被認(rèn)為是MgO暴露在真空紫外等離子輻射后另一可能的外逸電子發(fā)射源。激子能級(jí)就在導(dǎo)帶下方，能級(jí)上的電子很容易被熱激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，或躍遷到放電空間變成priming電子。這對(duì)MgO外電子發(fā)射有很重大的意義，還需要進(jìn)一步深入研究。