När en metall värms upp till en tillräckligt hög temperatur, elektroner kan kastas ut från ytan i en process som kallas termionemission, en process som liknar avdunstning av vattenmolekyler från ytan av kokande vatten.

Den termioniska emissionen av elektroner spelar en viktig roll i både grundläggande fysik och digital elektronisk teknik. Historiskt sett, upptäckten av termionisk emission gör det möjligt för fysiker att producera strålar av fritt flödande elektroner i ett vakuum. Sådana elektronstrålar hade använts i de kännetecknande experimenten som utfördes av Clinton Davisson och Lester Germer på 1920-talet för att illustrera elektronernas våg-partikeldualitet – en bisarr konsekvens av kvantfysiken, som markerade gryningen av den moderna kvanttiden. Tekniskt sett, termionisk emission utgör kärnan i vakuumrörstekniken – föregångaren till modern transistorteknologi – som möjliggjorde utvecklingen av den första generationens digitala dator. I dag, termionisk emission är fortfarande en av de viktigaste elledningsmekanismerna som styr driften av miljarder transistorer inbäddade i våra moderna datorer och smartphones.

Även om termionemission i traditionella material, som koppar och kisel, har väl förklarats av en teoretisk modell som lades fram av den brittiske fysikern O. W. Richardson 1901, exakt hur termionisk emission sker i grafen, ett enatoms tunt nanomaterial med mycket ovanliga fysikaliska egenskaper, är fortfarande ett dåligt uppfattat problem.

Att förstå termionemission från grafen är särskilt viktigt eftersom grafen kan vara nyckeln till att revolutionera ett brett spektrum av teknologier, inklusive datorelektronik, biologiska sensorer, kvantdatorer, energiskördare, och även myggmedel. Grafen och dess bredare familj av atomärt tunna nanomaterial - även känd som "2-D-material" - har lyfts fram som de 10 mest framväxande teknologierna av World Economic Forum 2016.

Rapporterar in Fysisk granskning tillämpas , forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD) har upptäckt en allmän teori som beskriver den termioniska emissionen från grafen. Genom att noggrant studera grafens elektroniska egenskaper, de har konstruerat ett generaliserat teoretiskt ramverk som kan användas för att exakt fånga termionisk emissionsfysik i grafen och är lämplig för modellering av ett brett utbud av grafenbaserade enheter.

"Vi fann att ledning av elektricitet och värmeenergi som härrör från termionemission kan avvika med mer än 50% när den beräknas felaktigt med hjälp av standard Dirac-konapproximation, sa Yueyi Chen, en SUTD-student som deltog i denna forskning.

Den elektroniska egenskapen hos grafen beskrivs ofta av Dirac-konapproximationen, ett enkelt teoretiskt ramverk baserat på det ovanliga beteendet hos elektroner i grafen som efterliknar snabbrörliga partiklar som lever i den ultrarelativistiska regimen. Denna Dirac-konapproximation har utgjort standardparadigmet för förståelsen av grafens fysikaliska egenskaper och är en hörnstensmodell för designen av många grafenbaserade elektroniska, optoelektroniska och fotoniska anordningar.

Dock, när elektroner i grafen är termiskt eller optiskt exciterade till högre energitillstånd, de slutar lyda Dirac-konens approximation. SUTD-forskare insåg att användning av Dirac-konapproximationen för att modellera den termioniska emissionen av högexciterade elektroner från grafen kan leda till falska resultat, producerar mycket opålitliga förutsägelser som väsentligt avviker från den faktiska prestandan hos grafenelektroniken och energienheterna.

Det nya tillvägagångssättet som utvecklats av SUTD-forskare förbättrar avsevärt tillförlitligheten hos deras modell genom att använda en mer sofistikerad teori som helt fångar de elektroniska egenskaperna hos grafen i högenergiregimen, därmed kringgå lågenergibegränsningen som krävs av Dirac-konapproximationen. Utan att förlita sig på Dirac-konuppskattningen, denna nya termioniska emissionsmodell gör det nu möjligt för ett brett utbud av grafenbaserade enheter som arbetar vid olika temperaturer och energiregimer att beskrivas universellt under ett enda ramverk (se bilden).

"Den generaliserade modellen som utvecklats i detta arbete kommer att vara särskilt värdefull för konstruktionen av banbrytande spillvärme-till-elektricitetsomvandlare och lågenergielektronik som använder grafen, som kan ge nya förhoppningar om att minska energiavtrycket för nästa generations dator- och kommunikationsenheter, " sa professor Ricky L. K. Ang, Head of Science and Math Cluster på SUTD.