(a) La struttura delle bande di energia che illustra il processo di emissione termoionica degli elettroni nel grafene a diversi stati energetici; (b) struttura a bande a bassa energia del grafene secondo l'approssimazione del cono di Dirac; (c) struttura a bande di energia più generale del grafene che copre sia il regime a bassa che ad alta energia; (d) Grande discrepanza tra la densità elettronica degli stati prevista dalla teoria della struttura a bande in (b) e in (c). Attestazione:SUTD
Quando un metallo viene riscaldato a una temperatura sufficientemente elevata, gli elettroni possono essere espulsi dalla superficie in un processo noto come emissione termoionica, un processo simile all'evaporazione delle molecole d'acqua dalla superficie dell'acqua bollente.
L'emissione termoionica degli elettroni svolge un ruolo importante sia nella fisica fondamentale che nella tecnologia elettronica digitale. Storicamente, la scoperta dell'emissione termoionica consente ai fisici di produrre fasci di elettroni a flusso libero nel vuoto. Tali fasci di elettroni erano stati utilizzati negli esperimenti caratteristici eseguiti da Clinton Davisson e Lester Germer negli anni '20 per illustrare la dualità onda-particella degli elettroni, una bizzarra conseguenza della fisica quantistica, che ha segnato l'alba della moderna era quantistica. Tecnologicamente, l'emissione termoionica costituisce il nucleo della tecnologia dei tubi a vuoto, il precursore della moderna tecnologia dei transistor, che ha consentito lo sviluppo del computer digitale di prima generazione. Oggi, l'emissione termoionica rimane uno dei più importanti meccanismi di conduzione dell'elettricità che regola il funzionamento di miliardi di transistor incorporati nei nostri computer e smartphone moderni.
Sebbene l'emissione termoionica nei materiali tradizionali, come rame e silicio, è stato ben spiegato da un modello teorico proposto dal fisico britannico O. W. Richardson nel 1901, esattamente come avviene l'emissione termoionica nel grafene, un nanomateriale sottile a un atomo con proprietà fisiche altamente insolite, rimane un problema poco compreso.
Comprendere l'emissione termoionica dal grafene è particolarmente importante poiché il grafene può essere la chiave per rivoluzionare una vasta gamma di tecnologie, compresa l'elettronica informatica, sensori biologici, computer quantistici, raccoglitori di energia, e persino repellenti per zanzare. Il grafene e la sua più ampia famiglia di nanomateriali atomicamente sottili, noti anche come "materiali 2-D", sono stati indicati come le 10 migliori tecnologie emergenti dal World Economic Forum nel 2016.
Informare Revisione fisica applicata , i ricercatori della Singapore University of Technology and Design (SUTD) hanno scoperto una teoria generale che descrive l'emissione termoionica del grafene. Studiando attentamente le proprietà elettroniche del grafene, hanno costruito un quadro teorico generalizzato che può essere utilizzato per catturare con precisione la fisica dell'emissione termoionica nel grafene ed è adatto per la modellazione di un'ampia gamma di dispositivi a base di grafene.
"Abbiamo scoperto che la conduzione dell'elettricità e dell'energia termica derivanti dall'emissione termoionica può deviare di oltre il 50% se calcolata erroneamente utilizzando l'approssimazione del cono di Dirac standard, " ha detto Yueyi Chen, uno studente universitario SUTD che ha partecipato a questa ricerca.
La proprietà elettronica del grafene è spesso descritta dall'approssimazione del cono di Dirac, un semplice quadro teorico basato sul comportamento insolito degli elettroni nel grafene che imita le particelle in rapido movimento che vivono nel regime ultrarelativistico. Questa approssimazione del cono di Dirac ha formato il paradigma standard per la comprensione delle proprietà fisiche del grafene ed è un modello fondamentale per la progettazione di molti dispositivi elettronici basati sul grafene, dispositivi optoelettronici e fotonici.
Però, quando gli elettroni nel grafene sono eccitati termicamente o otticamente in stati energetici più elevati, smettono di obbedire all'approssimazione del cono di Dirac. I ricercatori di SUTD si sono resi conto che l'uso dell'approssimazione del cono di Dirac per modellare l'emissione termoionica di elettroni altamente eccitati dal grafene può portare a risultati spuri, producendo previsioni altamente inaffidabili che si discostano significativamente dalle prestazioni effettive dei dispositivi elettronici ed energetici al grafene.
Il nuovo approccio sviluppato dai ricercatori SUTD migliora significativamente l'affidabilità del loro modello utilizzando una teoria più sofisticata che cattura completamente le proprietà elettroniche del grafene nel regime ad alta energia, aggirando così la limitazione a bassa energia come richiesto dall'approssimazione del cono di Dirac. Senza fare affidamento sull'approssimazione del cono di Dirac, questo nuovo modello di emissione termoionica consente ora di descrivere universalmente un'ampia gamma di dispositivi a base di grafene che operano a diverse temperature e regimi energetici in un'unica struttura (fare riferimento all'immagine).
"Il modello generalizzato sviluppato in questo lavoro sarà particolarmente prezioso per la progettazione di convertitori di calore di scarto-elettricità all'avanguardia e di elettronica a bassa energia che utilizzano il grafene, che può offrire nuove speranze nella riduzione dell'impronta energetica dei dispositivi informatici e di comunicazione di prossima generazione, " ha detto il professor Ricky L. K. Ang, Head of Science and Math Cluster presso SUTD.
