[发明专利]一种MgO及掺杂MgO薄膜材料次级电子发射性能的预测方法

说明书

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。

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]2p⁶3s²、[O]2s²2p⁴。