p Quando um metal é aquecido a uma temperatura suficientemente alta, elétrons podem ser ejetados da superfície em um processo conhecido como emissão termiônica, um processo semelhante à evaporação das moléculas de água da superfície da água fervente. p A emissão termiônica de elétrons desempenha um papel importante tanto na física fundamental quanto na tecnologia eletrônica digital. Historicamente, a descoberta da emissão termiônica permite que os físicos produzam feixes de elétrons que fluem livremente no vácuo. Esses feixes de elétrons foram usados ​​nos experimentos marcantes realizados por Clinton Davisson e Lester Germer na década de 1920 para ilustrar a dualidade onda-partícula dos elétrons - uma consequência bizarra da física quântica, que marcou o início da era quântica moderna. Tecnologicamente, a emissão termiônica forma o núcleo da tecnologia de tubo de vácuo - o precursor da tecnologia de transistor dos dias modernos - que possibilitou o desenvolvimento do computador digital de primeira geração. Hoje, a emissão termiônica continua sendo um dos mais importantes mecanismos de condução de eletricidade que governa a operação de bilhões de transistores embutidos em nossos computadores e smartphones modernos.

p Embora a emissão termiônica em materiais tradicionais, como cobre e silício, foi bem explicado por um modelo teórico apresentado pelo físico britânico O. W. Richardson em 1901, exatamente como a emissão termiônica ocorre no grafeno, nanomateriais finos de um átomo com propriedades físicas altamente incomuns, continua sendo um problema mal compreendido.

p Compreender a emissão termiônica do grafeno é particularmente importante, pois o grafeno pode ser a chave para revolucionar uma vasta gama de tecnologias, incluindo eletrônica de computação, sensores biológicos, computadores quânticos, coletores de energia, e até repelentes de mosquitos. O grafeno e sua família mais ampla de nanomateriais atomicamente finos - também conhecidos como 'materiais 2-D' - foram destacados como as 10 principais tecnologias emergentes pelo Fórum Econômico Mundial em 2016.

p Reportando Revisão Física Aplicada , pesquisadores da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD) descobriram uma teoria geral que descreve a emissão termiônica do grafeno. Estudando cuidadosamente as propriedades eletrônicas do grafeno, eles construíram uma estrutura teórica generalizada que pode ser usada para capturar com precisão a física de emissão termiônica em grafeno e é adequada para a modelagem de uma ampla gama de dispositivos baseados em grafeno.

p "Descobrimos que a condução de eletricidade e energia térmica proveniente da emissão termiônica pode se desviar em mais de 50% quando calculada erroneamente usando a aproximação de cone de Dirac padrão, "disse Yueyi Chen, um aluno de graduação do SUTD que participou desta pesquisa.

p A propriedade eletrônica do grafeno é frequentemente descrita pela aproximação do cone de Dirac, uma estrutura teórica simples baseada no comportamento incomum dos elétrons no grafeno que imita partículas de movimento rápido que vivem no regime ultrarelativístico. Esta aproximação do cone de Dirac formou o paradigma padrão para a compreensão das propriedades físicas do grafeno e é um modelo fundamental para o design de muitos eletrônicos baseados em grafeno, dispositivos optoeletrônicos e fotônicos.

p Contudo, quando os elétrons do grafeno são excitados térmica ou opticamente em estados de energia mais elevados, eles param de obedecer à aproximação do cone de Dirac. Os pesquisadores do SUTD perceberam que o uso da aproximação do cone de Dirac para modelar a emissão termiônica de elétrons altamente excitados do grafeno pode levar a resultados espúrios, produzir previsões altamente não confiáveis ​​que se desviam significativamente do desempenho real dos dispositivos eletrônicos e de energia de grafeno.

p A nova abordagem desenvolvida por pesquisadores do SUTD melhora significativamente a confiabilidade de seu modelo, usando uma teoria mais sofisticada que captura totalmente as propriedades eletrônicas do grafeno no regime de alta energia, contornando assim a limitação de baixa energia exigida pela aproximação do cone de Dirac. Sem depender da aproximação do cone de Dirac, este novo modelo de emissão termiônica agora permite que uma ampla gama de dispositivos baseados em grafeno operando em diferentes temperaturas e regimes de energia sejam descritos universalmente em uma única estrutura (consulte a imagem).

p "O modelo generalizado desenvolvido neste trabalho será particularmente valioso para o projeto de conversores de calor em eletricidade de última geração e eletrônicos de baixa energia usando grafeno, que pode oferecer novas esperanças na redução da pegada de energia dos dispositivos de computação e comunicação de próxima geração, "disse o professor Ricky L. K. Ang, Chefe do Cluster de Ciências e Matemática do SUTD.