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 el selloexperimento realizado 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 comienzo de la era cuántica moderna. Tecnológicamente, la emisión termoiónica forma el núcleo del vacíotecnología de tubos, precursora de la tecnología de transistores moderna, que permitió el desarrollo de la computadora digital de primera generación. Hoy en día, 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 nuestrocomputadoras y teléfonos inteligentes de hoy en día.
Aunque la emisión termoiónica en materiales tradicionales, como el cobre y el silicio, ha sido bien explicada por un modelo teórico presentado por el físico británico OW Richardson en 1901, exactamente cómo se produce la emisión termoiónica en el grafeno, un nanomaterial delgado de un átomocon propiedades físicas muy inusuales, sigue siendo un problema poco conocido.
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, el sensor biológico, la computadora cuántica, el recolector de energía e incluso el repelente de mosquitos. El grafeno y su familia más amplia de tecnología atómica-los nanomateriales delgados, también conocidos como 'materiales 2D', 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 puede utilizarse paracaptura la física de emisión termoiónica 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 usando 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 laparadigma estándar para la comprensión de las propiedades físicas del grafeno y es un modelo fundamental para el diseño de muchos dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y fotónicos basados en grafeno.
Sin embargo, cuando los electrones en el grafeno se excitan térmica u ópticamente en estados de mayor energía, dejan de obedecer a la aproximación del cono de Dirac. Los investigadores del 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 aresultados falsos, que producen una predicción muy poco fiable que se desvía 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 el cono de DiracAproximación 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 de vanguardia y electrónica de baja energía que utilizan grafeno, lo que puede ofrecer nuevas esperanzas para reducir la huella energética del próximodispositivos informáticos y de comunicación de generación ", dijo el profesor Ricky LK Ang, director del grupo de ciencias y matemáticas en SUTD.
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Materiales proporcionado por Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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