Wanneer een metaal wordt verwarmd tot een voldoende hoge temperatuur, elektronen kunnen van het oppervlak worden uitgestoten in een proces dat bekend staat als de thermionische emissie, een proces dat vergelijkbaar is met de verdamping van watermoleculen van het oppervlak van kokend water.

De thermionische emissie van elektronen speelt een belangrijke rol in zowel de fundamentele fysica als de digitale elektronische technologie. historisch, de ontdekking van thermionische emissie stelt natuurkundigen in staat om bundels van vrij stromende elektronen in een vacuüm te produceren. Dergelijke elektronenbundels waren gebruikt in de kenmerkende experimenten die in de jaren twintig door Clinton Davisson en Lester Germer werden uitgevoerd om de golf-deeltjesdualiteit van elektronen te illustreren - een bizar gevolg van de kwantumfysica, die het begin van het moderne kwantumtijdperk markeerde. technologisch, thermionische emissie vormt de kern van vacuümbuistechnologie - de voorloper van de moderne transistortechnologie - die de ontwikkeling van de eerste generatie digitale computer mogelijk maakte. Vandaag, thermionische emissie blijft een van de belangrijkste mechanismen voor elektriciteitsgeleiding die de werking regelt van miljarden transistors die zijn ingebed in onze moderne computers en smartphones.

Hoewel thermische emissie in traditionele materialen, zoals koper en silicium, is goed verklaard door een theoretisch model van de Britse natuurkundige O.W. Richardson in 1901, precies hoe thermionische emissie plaatsvindt in grafeen, een één-atoom dun nanomateriaal met hoogst ongebruikelijke fysische eigenschappen, blijft een slecht begrepen probleem.

Het begrijpen van thermionische emissie van grafeen is vooral belangrijk omdat grafeen de sleutel kan zijn tot een revolutie in een breed scala aan technologieën, inclusief computerelektronica, biologische sensoren, kwantumcomputers, energie oogstmachines, en zelfs muggenwerende middelen. Grafeen en zijn bredere familie van atomair dunne nanomaterialen - ook bekend als '2-D-materialen' - zijn in 2016 door het World Economic Forum uitgeroepen tot de top 10 van opkomende technologieën.

Melden in Fysieke beoordeling toegepast , onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) hebben een algemene theorie ontdekt die de thermionische emissie van grafeen beschrijft. Door de elektronische eigenschappen van grafeen zorgvuldig te bestuderen, ze hebben een algemeen theoretisch raamwerk geconstrueerd dat kan worden gebruikt om de fysica van thermionische emissie in grafeen nauwkeurig vast te leggen en dat geschikt is voor het modelleren van een breed scala aan op grafeen gebaseerde apparaten.

"We ontdekten dat de geleiding van elektriciteit en warmte-energie die voortkomt uit thermionische emissie met meer dan 50% kan afwijken wanneer deze verkeerd wordt berekend met behulp van de standaard Dirac-kegelbenadering, " zei Yueyi Chen, een SUTD-student die aan dit onderzoek heeft meegewerkt.

De elektronische eigenschap van grafeen wordt vaak beschreven door de Dirac-kegelbenadering, een eenvoudig theoretisch raamwerk gebaseerd op het ongewone gedrag van elektronen in grafeen dat snel bewegende deeltjes nabootst die in het ultrarelativistische regime leven. Deze Dirac-kegelbenadering heeft het standaardparadigma gevormd voor het begrip van de fysische eigenschappen van grafeen en is een hoeksteenmodel voor het ontwerp van veel op grafeen gebaseerde elektronische, opto-elektronische en fotonische apparaten.

Echter, wanneer elektronen in grafeen thermisch of optisch worden geëxciteerd naar hogere energietoestanden, ze stoppen met het gehoorzamen van de Dirac-kegelbenadering. SUTD-onderzoekers realiseerden zich dat het gebruik van de Dirac-kegelbenadering om de thermionische emissie van zeer opgewonden elektronen uit grafeen te modelleren tot valse resultaten kan leiden, het produceren van zeer onbetrouwbare voorspellingen die aanzienlijk afwijken van de werkelijke prestaties van de elektronische en energie-apparaten van grafeen.

De nieuwe aanpak ontwikkeld door SUTD-onderzoekers verbetert de betrouwbaarheid van hun model aanzienlijk door gebruik te maken van een meer geavanceerde theorie die de elektronische eigenschappen van grafeen in het hoge-energieregime volledig vastlegt, waardoor de lage-energiebeperking wordt omzeild zoals vereist door de Dirac-kegelbenadering. Zonder te vertrouwen op de Dirac-kegelbenadering, Met dit nieuwe thermionische emissiemodel kan nu een breed scala aan op grafeen gebaseerde apparaten die bij verschillende temperaturen en energieregimes werken, universeel worden beschreven onder één enkel raamwerk (zie afbeelding).

"Het algemene model dat in dit werk is ontwikkeld, zal bijzonder waardevol zijn voor het ontwerp van geavanceerde afvalwarmte-naar-elektriciteitsomzetters en energiezuinige elektronica met behulp van grafeen, die nieuwe hoop kan bieden bij het verminderen van de energievoetafdruk van de volgende generatie computer- en communicatieapparatuur, " zei professor Ricky L.K. Ang, Hoofd Wetenschap en Wiskunde Cluster bij SUTD.