Fysikere låser op for mysteriet om termioniske emissioner i grafen

Når et metal opvarmes til en tilstrækkelig høj temperatur, elektroner kan slynges ud fra overfladen i en proces kendt som den termioniske emission, en proces, der ligner fordampning af vandmolekyler fra overfladen af ​​kogende vand.

Den termioniske emission af elektroner spiller en vigtig rolle i både grundlæggende fysik og digital elektronisk teknologi. Historisk set opdagelsen af ​​termionisk emission gør fysikere i stand til at producere stråler af fritflydende elektroner i et vakuum. Sådanne elektronstråler var blevet brugt i de kendetegnende eksperimenter udført af Clinton Davisson og Lester Germer i 1920'erne for at illustrere elektronernes bølge-partikel-dualitet - en bizar konsekvens af kvantefysikken, som markerede begyndelsen af ​​den moderne kvanteæra. Teknologisk set termionisk emission danner kernen i vakuumrøreteknologien-forløberen for nutidens transistorteknologi-der muliggjorde udviklingen af ​​den første generations digitale computer. I dag, termionisk emission er fortsat en af ​​de vigtigste elektriske ledningsmekanismer, der styrer driften af ​​milliarder af transistorer indlejret i vores moderne computere og smartphones.

Selvom termionemission i traditionelle materialer, såsom kobber og silicium, er blevet godt forklaret af en teoretisk model fremsat af den britiske fysiker O. W. Richardson i 1901, præcis hvordan termionisk emission finder sted i grafen, et atom tyndt nanomateriale med meget usædvanlige fysiske egenskaber, er stadig et dårligt forstået problem.

At forstå termionemission fra grafen er særligt vigtigt, da grafen kan være nøglen til at revolutionere en bred vifte af teknologier, herunder computerelektronik, biologiske sensorer, kvantecomputere, energihøstere, og endda myggemidler. Grafen og dets bredere familie af atomisk tynde nanomaterialer - også kendt som '2-D materialer' - er blevet fremhævet som de 10 bedste nye teknologier af World Economic Forum i 2016.

Indrapportering Fysisk gennemgang anvendt , forskere fra Singapore University of Technology and Design (SUTD) har opdaget en generel teori, der beskriver den termioniske emission fra grafen. Ved omhyggeligt at studere grafens elektroniske egenskaber, de har konstrueret en generaliseret teoretisk ramme, der kan bruges til præcist at fange termionisk emissionsfysik i grafen og er velegnet til modellering af en lang række grafenbaserede enheder.

"Vi fandt ud af, at ledningen af ​​elektricitet og varmeenergi, der stammer fra termionisk emission, kan afvige med mere end 50%, når den fejlagtigt beregnes ved hjælp af standard Dirac -kegle -tilnærmelse, " sagde Yueyi Chen, en SUTD bachelorstuderende, der deltog i denne forskning.

Den elektroniske egenskab ved grafen beskrives ofte ved Dirac-kegletilnærmelsen, en simpel teoretisk ramme baseret på den usædvanlige opførsel af elektroner i grafen, der efterligner hurtigt bevægende partikler, der lever i det ultrarelativistiske regime. Denne Dirac-kegletilnærmelse har dannet standardparadigmet for forståelsen af ​​grafens fysiske egenskaber og er en hjørnestensmodel for design af mange grafenbaserede elektroniske, optoelektroniske og fotoniske enheder.

Imidlertid, når elektroner i grafen bliver termisk eller optisk exciteret til højere energitilstande, de holder op med at adlyde Dirac-keglens tilnærmelse. SUTD-forskere indså, at brug af Dirac-kegletilnærmelsen til at modellere den termioniske emission af stærkt ophidsede elektroner fra grafen kan føre til falske resultater, producerer yderst upålidelige forudsigelser, der afviger væsentligt fra den faktiske ydeevne af grafen elektroniske og energienheder.

Den nye tilgang udviklet af SUTD-forskere forbedrer deres models pålidelighed betydeligt ved at bruge en mere sofistikeret teori, der fuldt ud fanger grafens elektroniske egenskaber i højenergiregimet, dermed omgå lavenergi-begrænsningen som krævet af Dirac-kegletilnærmelsen. Uden at stole på Dirac-kegletilnærmelsen, denne nye termioniske emissionsmodel gør det nu muligt at beskrive en bred vifte af grafen-baserede enheder, der opererer ved forskellige temperaturer og energiregimer, universelt under en enkelt ramme (se billede).

"Den generaliserede model, der er udviklet i dette arbejde, vil være særlig værdifuld for design af banebrydende spildvarme-til-elektricitetsomformere og lavenergielektronik ved hjælp af grafen, som kan give nye forhåbninger om at reducere energiaftrykket fra næste generation af computer- og kommunikationsenheder, " sagde professor Ricky L. K. Ang, Head of Science and Math Cluster hos SUTD.