物理学家揭示了石墨烯中热电子发射的奥秘

当金属加热到足够高的温度时,电子可以通过称为热电子发射的过程从表面喷射出来,该过程类似于从沸水表面蒸发水分子的过程。

电子的热电子发射在基础物理学和数字电子技术中都起着重要作用。从历史上看,热电子发射的发现使物理学家能够在真空中产生自由流动的电子束。此类电子束已被克林顿·戴维森(Clinton Davisson)和莱斯特·格默(Lester Germer)在1920年代进行的标志性实验中用来说明电子的波粒二象性-量子物理学的奇异结果,标志着现代量子时代的来临。从技术上讲,热电子发射构成了真空管技术的核心,而真空管技术是现代晶体管技术的前身,它使第一代数字计算机得以发展。今天,

尽管1901年英国物理学家OW理查森(OW Richardson)提出的理论模型已经很好地解释了传统材料(如铜和硅)中的热电子发射,但确切地说,石墨烯中的热电子发射是如何发生的,石墨烯是一种具有高度原子性的单原子薄纳米材料。异常的物理性质,仍然是一个鲜为人知的问题。

了解石墨烯的热电子发射尤为重要,因为石墨烯可能成为革新包括计算电子,生物传感器,量子计算机,能量收集器甚至驱蚊剂在内的众多技术的关键。石墨烯及其更广泛的原子稀薄纳米材料家族(也称为“2D材料””)在2016年世界经济论坛上被评选为十大新兴技术。

新加坡应用科技大学(SUTD)的研石墨究人员在《Physical Review Applied》杂志上的报告中发现了描述石墨烯热电子发射的一般理论。通过仔细研究石墨烯的电子特性,他们建立了一个广义的理论框架,可用于精确捕获石墨烯中的热电子发射物理现象,并适用于各种基于石墨烯的器件的建模。

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参加这项研究的SUTD本科生Chen Yueyi Chen说:“如果使用标准狄拉克锥近似法错误地计算出,由热电子发射产生的电能和热能的传导可以偏离50%以上。”

石墨烯的电子特性通常由“狄拉克锥近似”描述,这是一个简单的理论框架,基于石墨烯中电子的异常行为,模仿了生活在超相对论体系中的快速移动粒子。这种狄拉克锥近似已经形成了理解石墨烯物理特性的标准范例,并且是许多基于石墨烯的电子,光电和光子器件设计的基石模型。

但是,当石墨烯中的电子被热或光学激发成更高能态时,它们将停止服从狄拉克锥近似。SUTD研究人员意识到,使用狄拉克锥近似来模拟石墨烯中高激发电子的热电子发射会导致虚假结果,从而产生高度不可靠的预测,从而大大偏离了石墨烯电子和能源设备的实际性能。

SUTD研究人员开发的新方法通过使用更复杂的理论来显着提高模型的可靠性,该理论可以完全捕获高能态石墨烯的电子特性,从而规避了Dirac锥近似所要求的低能限制。现在,无需依赖Dirac锥近似,这种新的热电子发射模型就可以在一个单一的框架下通用地描述在不同温度和能量条件下工作的各种基于石墨烯的器件。