一种MgO及掺杂MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法

摘要

一种MgO及掺杂MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法，属于材料性能预测技术领域。基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算MgO不同晶面取向和不同浓度的掺杂对体系表面能、功函数、禁带宽度以及电导率的影响来预测材料的次级电子性能。第一性原理计算表明，MgO的(111)晶面具有最大的表面能，最小的功函数，可预测具有(111)晶面取向或(111)晶面占优的MgO晶体具有相对较好的次级发射性能；对于掺杂的MgO，计算结果表明掺杂后各晶面的功函数均有所减小，同时随着掺杂浓度的增大，禁带宽度呈线性降低趋势，从而减小电子从价带跃迁到导带的能垒，有利于次级发射性能的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测器、等离子平板显示器等真空电子器件领域，特别涉及一种MgO及掺杂MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法。

背景技术

MgO是一种具有NaCl型立方晶体结构的绝缘体材料，具有良好的化学惰性、高温稳定性、良好的导热性、光学性能和较高的次级电子发射系数，现已经广泛应用于光电倍增管中的电子倍增器、平板荧光灯、等离子平板显示器、质谱仪等真空电子器件中作为介质保护层和次级发射功能层。电子倍增器工作过程时，电子轰击打拿极表面的MgO，产生二次电子，并在电场作用下加速轰击下一级打拿极，又激发出更多的二次电子。MgO薄膜的二次发射系数越高，电子倍增器的增益效应就越好。理想的MgO晶体的最大次级发射系数可高达15～20，但MgO薄膜的次级发射系数受制备方法、表面粗糙度、结晶度、薄膜厚度影响而差异较大。纯MgO薄膜的次级发射系数仍待提高，尤其是离子激励等离子显示器中的MgO介质功能薄膜，且存在易受离子轰击性能变差、寿命较短等问题。研究表明，通过掺杂其他钠、钛、铝等碱金属离子可以降低MgO的禁带宽度和功函数，一定程度改善薄膜的导电性，降低表面荷电效应，从而提升MgO薄膜的次级发射性能。

第一性原理计算是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，不需要任何经验参数。因此，诸如禁带宽度、功函数这样的不易通过实验研究的性质，第一性原理计算是一种很有效的分析手段，而且具有成本低，效率高的优点。因此可通过第一性原理计算有效的指导掺杂MgO薄膜的成分设计，预测掺杂MgO薄膜的电子结构特性，获得理想的次级发射性能。

发明内容

鉴于MgO薄膜次级发射材料存在的不足以及第一性计算原理计算的优点，本发明旨在提供一种MgO及掺杂MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法，并结合真空次级发射实验，对预测结果进行验证。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种MgO及掺杂MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法，基于第一性原理的密度泛函理论，分析MgO的不同晶面取向和不同掺杂浓度对MgO薄膜次级发射性能的影响规律。具体地，通过第一性原理投影增强波赝势技术，计算MgO不同晶面的表面能和功函数，以及不同掺杂浓度的MgO体系的功函数和态密度的变化，对比预测判断其次级发射性能。

对于MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法：

计算过程主要包括：首先构建MgO不同晶面的表面结构模型，然后进行结构优化，获得稳定结构后，进行相关电子结构特性计算，计算过程中Mg、O、原子参与计算的电子构型为：[Mg]2p

MgO不同晶面的表面结构模型的构建方法是：首先构建MgO晶胞，根据理想MgO晶胞立方晶系结构，及其隶属于的FM3M空间群，选取晶格常数a＝b＝c＝4.21nm,α＝β＝γ＝90°,利用Materials Studio建立具有立方对称性的MgO结构，半径大的O

在计算中所用的晶格常数为一致认可的实验值，电子与电子间的作用力均采用LDA进行校正，平面波的截断能E

MgO不同晶面的表面结构研究的结构参数的变化包括：各个晶面的表面能、功函数，分析得出晶面指数、表面能、功函数三者之间的关系，并以此判断MgO不同晶面的次级发射性能优劣，预测MgO中具有最佳次级发射性能的晶面。

根据实际实验中制备的MgO薄膜所具有的晶面，分别计算了MgO(111)、(220)、(200)三个晶面的表面能。晶面的原子间距越小相互作用越强,要切割表面越难,需要的能量越大,即对应的表面能越大。MgO属于面心立方结构，根据面心立方结构晶面间距公式：

根据实际计算结果，MgO各晶面的表面能大小排序为σ(111)>σ(220)>σ(200)，功函数的大小排序是(200)>(220)>(111)，这与前面的理论分析结果一致。因此可以预测在其它条件相同的情况下，MgO的(111)晶面具有较好的次级发射性能，即具有(111)晶面择优取向/(111)晶面取向占优的MgO薄膜具有较好的次级发射性能。

对于掺杂MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法：

计算过程主要包括：构建不同金属离子掺杂的MgO体块结构模型，用不同比例的金属原子取代Mg原子，然后进行结构优化，获得稳定结构后，进行相关电子结构特性计算。本专利所述金属离子为Zn

Zn

在计算中所用的晶格常数为一致认可的实验值，电子与电子间的作用力均采用LDA进行校正，平面波的截断能E

不同浓度的金属离子掺杂MgO研究的结构参数的变化包括：禁带宽度、费米能级的位置及态密度值、导带价带宽度和位置、掺杂后各晶面的功函数，并以此分析不同掺杂浓度的金属离子对MgO次级发射性能的影响，预测MgO薄膜次级发射性能最佳的掺杂浓度。

计算了不同浓度的Zn

本发明中，掺杂后Zn

根据实际计算结果，Zn

实际实验过程中，掺杂Zn

附图说明

图1为本发明技术路线图；

图2为MgO三种不同表面的结构模型；

图3为MgO的体块结构模型(a)MgO(b)Zn

图4为MgO各晶面的表面能；

图5为MgO各晶面的功函数；

图6为Zn

图7为不同浓度的Zn

图8为不同浓度的Al

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本专利的实施方式。

本发明中模拟计算不同晶面取向和不同掺杂浓度对MgO薄膜次级发射性能影响规律的预测分析过程如图1所示：

研究不同晶面取向对MgO薄膜次级发射性能的影响：构建MgO各晶面的表面结构模型(见图2)，进行结构优化，获得稳定结构后，进行表面能和功函数的计算，通过计算结果研究不同晶面次级发射性能的差异，预测具有最佳次级发射性能的晶面；

不同掺杂浓度对MgO薄膜次级发射性能的影响：首先，根据相关参数对MgO结构进行模型构建，用不同比例的Zn/Al原子取代晶胞中的Mg原子，如图3所示；然后进行结构优化，获得稳定结构后，进行晶格参数计算，根据计算结果分析禁带宽度的变化、费米能级的位置及态密度值变化、导带价带宽度和位置的变化、各晶面功函数的变化等，分析不同掺杂浓度对晶格微观结构和次级发射性能的影响，为MgO电子发射材料的制备和优化提供工艺设计思路及性能预测方法。

实施例1

对三种不同的主要晶面((200)、(220)、(111))的MgO表面结构模型的表面能进行了模拟计算，图4为计算结果。从图中可以看出，三种不同晶面的表面能大小顺序为：σ(111)>σ(220)>σ(200)，(111)晶面的表面能较其它两个晶面的明显更大，这与(111)面的特殊性(单层为纯Mg或纯O)，易吸氢易极化而具有较高的表面能的分析结果一致。图5是各晶面功函数的计算结果，可以看到各晶面功函数的大小与表面能刚好成反比，这是因为表面能越大表面越不稳定，电子逸出需克服的能量势垒越低。说明在其它条件相同的情况下，MgO薄膜的(111)表面具有更好的次级发射性能。

实施例2

图6给出了Zn

实施例3

对掺杂Al

本发明基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算MgO不同晶面取向和不同浓度的Zn