MgO激子束缚能)第一性原理GW-BSE研究
采用第一性原理计算了MgO的电子结构和激子光谱。通过解贝塞尔方程，得到MgO的吸收光谱，同时计算了MgO的激子束缚能。由计算结果知MgO中存在强烈的激子效应，激子束缚能约83meV。在室温条件下，由于MgO的激子束缚能大于热能，因此激子效应可能对等离子平板显示单元的放电性能产生重要影响。本文还研究了不同布里渊k点密度下的MgO激子光谱，研究结果可帮助理解MgO晶体中激子的物理性质。另外暗激子则被认为是MgO暴露在真空紫外等离子辐射后另一可能的外电子发射源。
氧化镁(MgO)薄膜作为等离子体显示器件(PDP)中的介质保护层，它的结构、特性参数直接影响到PDP的显示效果以及器件性能和质量。因此，对MgO薄膜的研究也愈加重视，其中为了降低PDP的功耗，就需要降低它的驱动电压。众所周知提高MgO保护层的二次电子发射系数C可以降低着火电压和维持电压，是提高放电效率的一个有效途径。然而最近几年研究人员发现MgO保护膜的外电子发射(Exo-electronEmission，简称EEE)能力也非常重要，其重要性不亚于二次电子发射。外电子发射最初是由Tanaka发现，而Kramer进一步研究表明经过机械处理(例如:摩擦、扭曲、拉伸等)之后的金属氧化物以及光照或加热后的非金属均有慢电子发射，辐射出去的电子称之为/外电子0。PDP放电单元中的外电子发射，主要是由于俄歇效应、热能激发以及表面电场作用而导致的电子发射，Tolner在研究中对PDP中这三种外电子发射给出了详细的描述。
目前普遍认为MgO保护层材料的外电子发射是由注入到MgO或是MgO本身的电子和空穴的缓慢复合产生的。保护层MgO的外电子发射是PDP寻址期的引发粒子(priming电子)的重要来源，寻址时priming电子越多，寻址放电的jitter就越小(ts越短)，PDP的寻址时间就会越小。材料由于俄歇效应自发辐射的外电子能够成为PDP放电单元中的priming电子。不仅如此，热致发射和场致发射所激发出的外电子也能够成为PDP放电单元中priming电子。为了提高PDP的寻址速度，人们开始研究如何改善MgO材料性能，以提高MgO表面的外电子发射来提供足够的priming电子。Matsushita等的研究证明了MgO的外电子发射在PDP中起着关键作用。外电子所在的能级，一般指位于导带下方1eV以内的浅位能级，从能带结构方面来研究如何改善MgO材料性能显得非常重要。本文研究了考虑电子-空穴作用的MgO吸收光谱，分析了激子对外电子发射的影响，并解释了激子对PDP寻址速度的提高的重要性。
1、材料结构模型和计算方法
MgO是立方体的氯化钠(NaCl)结构的离子晶体，如图1所示。图1是MgO晶体结构，图中大球是O离子，小球是Mg离子。可以看到MgO晶胞包含有四个镁和四个氧原子，每个镁原子周围有六个最近的氧原子，其对称性满足C4V。其晶格常数为a=b=c=0.4217nm，A=B=C=90b。本文采用了平面波赝势结合局域梯度近似(LDA)的密度泛函理论方法算了理想MgO晶体的电子结构，在此基础上计算相应的激子光谱和激子束缚能，分别由软件包Abinit和Yambo代码计算。
图1 MgO晶体结构模型
基于第一性原理的多体微扰理论，计算了MgO的吸收光谱并研究了MgO中的激子。计算过程可分为三步:¹用LDA计算MgO电子结构基态;º然后采用GW近似算法(Green函数G与含屏蔽的相互作用W对体系自能做展开，简称GW)对材料本征态进行纠正;»通过解贝塞尔(Bethe-Salpeter，简称BS)方程来计算MgO的吸收光谱。计算模型为MgO原胞，LDA计算中Mg，O原子采用Norm-conservingTroullier-Martins型赝势，波函数截断能设为8.613eV，能带总数为100，有效屏蔽常数(effective screening constants)E0采用6.0，采用6×6×6以#为中心的k网格点取值;GW计算纠正以及交换部分的波函数截断能取5.0eV，这时准粒子能(Quas-iparticle，简称QP)可收敛到011eV;相应的响应区大小设为(responseblocksize)102eV;解BS方程的时候，考虑电子-空穴对作用的能带总共九条，包含费米能级往下数四条价带，费米能级往上数五条导带。当Monkhors-tPackk点网格密度采用13×13×13时，激子束缚能收敛到0106eV。
3、结论
本文用第一性原理计算了MgO的电子结构以及光学性质。采用GW算法适当的纠正了MgO的带宽。考虑电子-空穴对作用后MgO的吸收光谱形状发生改变，并与实验值符合得更好。结果显示激子效应很重要，计算结果显示MgO激子束缚能约83meV，与实验值符合得很好。暗激子则被认为是MgO暴露在真空紫外等离子辐射后另一可能的外逸电子发射源。激子能级就在导带下方，能级上的电子很容易被热激发跃迁到导带，或跃迁到放电空间变成priming电子。这对MgO外电子发射有很重大的意义，还需要进一步深入研究。
