(a) La structure de bande d'énergie illustrant le processus d'émission thermoionique d'électrons dans le graphène à différents états d'énergie ; (b) Structure de bande de basse énergie du graphène sous l'approximation du cône de Dirac; (c) Structure de bande d'énergie plus générale du graphène couvrant à la fois les régimes à basse et haute énergie ; (d) Grand écart entre la densité d'états électroniques prédite par la théorie de la structure de bande en (b) et en (c). Crédit :SUTD
Lorsqu'un métal est chauffé à une température suffisamment élevée, les électrons peuvent être éjectés de la surface dans un processus connu sous le nom d'émission thermoionique, un processus similaire à l'évaporation des molécules d'eau à la surface de l'eau bouillante.
L'émission thermoionique d'électrons joue un rôle important à la fois en physique fondamentale et en technologie électronique numérique. Historiquement, la découverte de l'émission thermoionique permet aux physiciens de produire des faisceaux d'électrons libres dans le vide. De tels faisceaux d'électrons avaient été utilisés dans les expériences marquantes réalisées par Clinton Davisson et Lester Germer dans les années 1920 pour illustrer la dualité onde-particule des électrons - une conséquence étrange de la physique quantique, qui a marqué l'aube de l'ère quantique moderne. Technologiquement, l'émission thermoionique est au cœur de la technologie des tubes à vide - le précurseur de la technologie des transistors moderne - qui a permis le développement de l'ordinateur numérique de première génération. Aujourd'hui, L'émission thermoionique reste l'un des mécanismes de conduction électrique les plus importants qui régit le fonctionnement de milliards de transistors intégrés dans nos ordinateurs et smartphones modernes.
Bien que l'émission thermoionique dans les matériaux traditionnels, comme le cuivre et le silicium, a été bien expliqué par un modèle théorique proposé par le physicien britannique O. W. Richardson en 1901, exactement comment se déroule l'émission thermoionique dans le graphène, un nanomatériau mince d'un atome avec des propriétés physiques très inhabituelles, reste un problème mal compris.
Comprendre l'émission thermoionique du graphène est particulièrement important car le graphène peut détenir la clé pour révolutionner une vaste gamme de technologies, y compris l'électronique informatique, capteurs biologiques, ordinateurs quantiques, récupérateurs d'énergie, et même des anti-moustiques. Le graphène et sa famille plus large de nanomatériaux atomiquement minces, également connus sous le nom de « matériaux 2D », ont été classés parmi les 10 principales technologies émergentes par le Forum économique mondial en 2016.
Rapports dans Examen physique appliqué , Des chercheurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) ont découvert une théorie générale décrivant l'émission thermoionique du graphène. En étudiant attentivement les propriétés électroniques du graphène, ils ont construit un cadre théorique généralisé qui peut être utilisé pour capturer avec précision la physique des émissions thermoioniques dans le graphène et qui convient à la modélisation d'une large gamme de dispositifs à base de graphène.
"Nous avons constaté que la conduction de l'électricité et de l'énergie thermique résultant de l'émission thermoionique peut dévier de plus de 50% lorsqu'elle est calculée de manière erronée en utilisant l'approximation standard du cône de Dirac, " dit Yueyi Chen, un étudiant de premier cycle de SUTD qui a participé à cette recherche.
La propriété électronique du graphène est souvent décrite par l'approximation du cône de Dirac, un cadre théorique simple basé sur le comportement inhabituel des électrons dans le graphène qui imite les particules en mouvement rapide vivant dans le régime ultrarelativiste. Cette approximation du cône de Dirac a formé le paradigme standard pour la compréhension des propriétés physiques du graphène et est un modèle de pierre angulaire pour la conception de nombreux composants électroniques à base de graphène, dispositifs optoélectroniques et photoniques.
Cependant, lorsque les électrons du graphène sont excités thermiquement ou optiquement dans des états d'énergie plus élevés, ils cessent d'obéir à l'approximation du cône de Dirac. Les chercheurs du SUTD ont réalisé que l'utilisation de l'approximation du cône de Dirac pour modéliser l'émission thermoionique d'électrons hautement excités du graphène peut conduire à des résultats erronés, produisant des prédictions très peu fiables qui s'écartent considérablement des performances réelles des dispositifs électroniques et énergétiques au graphène.
La nouvelle approche développée par les chercheurs de SUTD améliore considérablement la fiabilité de leur modèle en utilisant une théorie plus sophistiquée qui capture pleinement les propriétés électroniques du graphène dans le régime à haute énergie, contournant ainsi la limitation à basse énergie requise par l'approximation du cône de Dirac. Sans se fier à l'approximation du cône de Dirac, ce nouveau modèle d'émission thermoionique permet désormais à un large éventail de dispositifs à base de graphène fonctionnant à différentes températures et régimes énergétiques d'être universellement décrits dans un cadre unique (voir l'image).
"Le modèle généralisé développé dans ce travail sera particulièrement précieux pour la conception de convertisseurs de pointe de chaleur résiduelle en électricité et d'électronique basse énergie utilisant le graphène, qui peut offrir de nouveaux espoirs dans la réduction de l'empreinte énergétique des appareils de calcul et de communication de nouvelle génération, " a déclaré le professeur Ricky L. K. Ang, Responsable du pôle Sciences et Mathématiques chez SUTD.
