Cuando un metal se calienta a una temperatura suficientemente alta, los electrones pueden ser expulsados ​​de la superficie en un proceso conocido como emisión termoiónica, un proceso que es similar a la evaporación de moléculas de agua de la superficie del agua hirviendo.

La emisión termoiónica de electrones juega un papel importante tanto en la física fundamental como en la tecnología electrónica digital. Históricamente, el descubrimiento de la emisión termoiónica permite a los físicos producir haces de electrones que fluyen libremente en el vacío. Estos haces de electrones se habían utilizado en los experimentos característicos realizados por Clinton Davisson y Lester Germer en la década de 1920 para ilustrar la dualidad onda-partícula de los electrones, una extraña consecuencia de la física cuántica. que marcó el amanecer de la era cuántica moderna. Tecnológicamente La emisión termoiónica forma el núcleo de la tecnología de tubos de vacío, precursora de la tecnología de transistores moderna, que permitió el desarrollo de la computadora digital de primera generación. Hoy dia, La emisión termoiónica sigue siendo uno de los mecanismos de conducción de electricidad más importantes que gobierna el funcionamiento de miles de millones de transistores integrados en nuestras computadoras y teléfonos inteligentes de hoy en día.

Aunque la emisión termoiónica en materiales tradicionales, como el cobre y el silicio, ha sido bien explicado por un modelo teórico presentado por el físico británico O. W. Richardson en 1901, exactamente cómo se produce la emisión termoiónica en el grafeno, nanomateriales delgados de un átomo con propiedades físicas muy inusuales, sigue siendo un problema poco comprendido.

Comprender la emisión termoiónica del grafeno es particularmente importante, ya que el grafeno puede ser la clave para revolucionar una amplia gama de tecnologías. incluida la electrónica informática, sensores biológicos, computadoras cuánticas, recolectores de energía, e incluso repelentes de mosquitos. El grafeno y su familia más amplia de nanomateriales atómicamente delgados, también conocidos como 'materiales 2-D', han sido destacados como las 10 principales tecnologías emergentes por el Foro Económico Mundial en 2016.

Reportando en Revisión física aplicada , Investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) han descubierto una teoría general que describe la emisión termoiónica del grafeno. Al estudiar cuidadosamente las propiedades electrónicas del grafeno, han construido un marco teórico generalizado que se puede utilizar para capturar con precisión la física de las emisiones termoiónicas en grafeno y es adecuado para el modelado de una amplia gama de dispositivos basados ​​en grafeno.

"Descubrimos que la conducción de electricidad y energía térmica que surge de la emisión termoiónica puede desviarse en más del 50% cuando se calcula erróneamente utilizando la aproximación estándar del cono de Dirac, "dijo Yueyi Chen, un estudiante de pregrado del SUTD que participó en esta investigación.

La propiedad electrónica del grafeno a menudo se describe mediante la aproximación del cono de Dirac, un marco teórico simple basado en el comportamiento inusual de los electrones en el grafeno que imita las partículas de movimiento rápido que viven en el régimen ultrarelativista. Esta aproximación del cono de Dirac ha formado el paradigma estándar para la comprensión de las propiedades físicas del grafeno y es un modelo fundamental para el diseño de muchos componentes electrónicos basados ​​en grafeno. dispositivos optoelectrónicos y fotónicos.

Sin embargo, cuando los electrones del grafeno se excitan térmica u ópticamente en estados de mayor energía, dejan de obedecer la aproximación del cono de Dirac. Los investigadores de SUTD se dieron cuenta de que el uso de la aproximación del cono de Dirac para modelar la emisión termoiónica de electrones altamente excitados del grafeno puede conducir a resultados falsos. produciendo predicciones muy poco fiables que se desvían significativamente del rendimiento real de los dispositivos electrónicos y de energía de grafeno.

El nuevo enfoque desarrollado por los investigadores de SUTD mejora significativamente la confiabilidad de su modelo mediante el uso de una teoría más sofisticada que captura completamente las propiedades electrónicas del grafeno en el régimen de alta energía. evitando así la limitación de baja energía requerida por la aproximación del cono de Dirac. Sin depender de la aproximación del cono de Dirac, Este nuevo modelo de emisión termoiónica ahora permite que una amplia gama de dispositivos basados ​​en grafeno que operan a diferentes temperaturas y regímenes de energía se describan universalmente bajo un solo marco (consulte la imagen).

"El modelo generalizado desarrollado en este trabajo será particularmente valioso para el diseño de convertidores de calor residual en electricidad y electrónica de baja energía de última generación que utilizan grafeno". que puede ofrecer nuevas esperanzas en la reducción de la huella energética de los dispositivos informáticos y de comunicación de próxima generación, "dijo el profesor Ricky L. K. Ang, Responsable del Clúster de Ciencias y Matemáticas en SUTD.