Γραφένιο: Φυσικοί ξεκλειδώνουν το μυστήριο της θερμιονικής εκπομπής στο γραφένιο

Ερευνητές στο SUTD (Singapore University of Technology and Design) ανακάλυψαν μια νέα θεωρία που ανοίγει το δρόμο για το σχεδιασμό καλύτερων ηλεκτρονικών συσκευών και μετατροπείς ενέργειας με γραφένιο.

Όταν ένα μέταλλο θερμαίνεται σε μια επαρκή υψηλή θερμοκρασία, τα ηλεκτρόνια μπορούν να αποβάλλονται από την επιφάνειά του σε μια διεργασία γνωστή ως θερμιονική εκπομπή, μια διεργασία η οποία είναι παρόμοια με την εξάτμιση των μορίων του νερού από την επιφάνεια νερού που βράζει. Η θερμιονική εκπομπή ηλεκτρονίου παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στην βασική φυσική όσο και στην ψηφιακή ηλεκτρονική τεχνολογία.

Ιστορικά, η ανακάλυψη της θερμιονικής εκπομπής επιτρέπει τους φυσικούς να παράγουν δέσμες ηλεκτρόνιων ελεύθερων να κινηθούν στο κενό. Τέτοιες δέσμες ηλεκτρονίων είχαν χρησιμοποιηθεί στο πείραμα-σφραγίδα που έγινε από τους Clinton Davisson και Lester Germer στη δεκαετία του 1920 για να απεικονίσει τον δυϊσμό σωματίου-κύματος των ηλεκτρονίων – μια περίεργη συνέπεια της κβαντικής φυσικής, η οποία σήμανε την αυγή της σύγχρονης κβαντικής εποχής. Τεχνολογικά, η θερμιονική εκπομπή συνιστά τον πυρήνα της τεχνολογίας της λυχνίας κενού – τον πρόδρομο της σύγχρονης τεχνολογίας του τρανζίστορ – που επέτρεψε την ανάπτυξη των ψηφιακών υπολογιστών πρώτης γενιάς. Σήμερα, η θερμιονική εκπομπή παραμένει ένας από τους πιο σημαντικούς μηχανισμούς αγωγής του ηλεκτρισμού που διέπει τη λειτουργία δισεκατομμυρίων τρανζίστορ οι οποίοι είναι ενσωματωμένοι στους σύγχρονους υπολογιστές και τα smartphones.

Αν και η θερμιονική εκπομπή σε παραδοσιακά υλικά, όπως χαλκός και πυρίτιο, εξηγήθηκαν καλά από ένα θεωρητικό μοντέλο που προτάθηκε από τον Βρετανό φυσικό O. W. Richardson το 1901, παραμένει ένα πρόβλημα ανεπαρκώς κατανοητό το πώς ακριβώς λαμβάνει χώρα η θερμιονική εκπομπή στο γραφένιο, ένα υλικό πάχους όσο ένα άτομο με πολύ ξεχωριστές φυσικές ιδιότητες. Η κατανόηση της θερμιονικής εκπομπής από το γραφένιο είναι ιδιαίτερα σημαντική καθώς το γραφένιο μπορεί να κρατά το κλειδί για να υπάρξει επανάσταση σε μια μεγάλη περιοχή τεχνολογιών, όπου συμπεριλαμβάνονται υπολογιστικά ηλεκτρονικά, βιολογικοί αισθητήρες, κβαντικοί υπολογιστές, συλλέκτες ενέργειας και ακόμη απωθητικά κουνουπιών. Το γραφένιο και η ευρύτερη οικογένειά του των λεπτών σε επίπεδο ατόμου νανο-υλικών – γνωστών επίσης και ως δισδιάστατων (2D) υλικών – έχει επισημανθεί ως η κορυφή των αναδυόμενων τεχνολογιών από το Παγκόσμιο Οικονομικό Forum του 2016.

(a) Η δομή της ενεργειακής ζώνης που απεικονίζει τη διεργασία της θερμιονικής εκπομπής των ηλεκτρονίων στο γραφένιο σε διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις.
(b) Η δομή της ζώνης χαμηλής ενέργειας του γραφενίου με την προσέγγιση του κώνου Dirac.
(c) Πιο γενική δομή της ενεργειακής ζώνης του γραφενίου που καλύπτει το καθεστώς τόσο της χαμηλής όσο και της υψηλής ενέργειας.
(d) Μεγάλη απόκλιση μεταξύ της ηλεκτρονικής πυκνότητας των καταστάσεων που προβλέπονται από τη θεωρία της δομής της ζώνης στα (b) και (c).

Όπως αναφέρουν στο Physical Review Applied, οι ερευνητές από το SUTD (Singapore University of Technology and Design) έχουν ανακαλύψει μια γενική θεωρία που περιγράφει τη θερμιονική εκπομπή από το γραφένιο. Μελετώντας προσεκτικά τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφένιου, έχουν οικοδομήσει ένα γενικευμένο θεωρητικό πλαίσιο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αποτυπωθεί με ακρίβεια η φυσική της θερμιονικής εκπομπής στο γραφένιο και είναι κατάλληλο για τη μοντελοποίηση μιας ευρείας περιοχής συσκευών με βάση το γραφένιο. «Βρήκαμε ότι η αγωγή του ηλεκτρισμού και της θερμικής ενέργειας που προκύπτουν από τη θερμιονική εκπομπή μπορεί να αποκλίνει περισσότερο από 50% όταν υπολογίστηκε λανθασμένα χρησιμοποιώντας την τυπική προσέγγιση του κώνου Dirac», ανέφερε η προπτυχιακή φοιτήτρια στο SUTD, Yueyi Chen, η οποία συμμετείχε στην έρευνα.

Η ηλεκτρονική ιδιότητα του γραφένιου συχνά περιγράφεται από την «προσέγγιση του κώνου Dirac», ένα απλό θεωρητικό πλαίσιο που βασίζεται στην ασυνήθιστη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στο γραφένιο που μιμείται ταχέως κινούμενα σωμάτια που υπάρχουν σε υπερσχετικιστικό καθεστώς. Αυτή η προσέγγιση του κώνου Dirac διαμόρφωσε το τυπικό παράδειγμα για την κατανόηση των φυσικών ιδιοτήτων του γραφένιου και είναι ένα μοντέλο ορόσημο για το σχεδιασμό πολλών βασισμένων στο γραφένιο ηλεκτρονικών, οπτοηλεκτρονικών και φωτονικών συσκευών.

Ωστόσο, όταν τα ηλεκτρόνια στο γραφένιο είναι θερμικά ή οπτικά διεγερμένα σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις, σταματούν να υπακούουν στην προσέγγιση του κώνου Dirac. Οι ερευνητές του SUTD συνειδητοποίησαν ότι η χρήση της προσέγγισης του κώνου Dirac για να μοντελοποιηθεί η θερμιονική εκπομπή των πολύ διεγερμένων ηλεκτρονίων από το γραφένιο μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένα αποτελέσματα, παράγοντας πολύ αναξιόπιστη πρόβλεψη που αποκλίνει σημαντικά από την πραγματική απόδοση των ηλεκτρονικών και ενεργειακών συσκευών γραφένιου.

Η νέα προσέγγιση που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές του SUTD βελτιώνει σημαντικά την αξιοπιστία του μοντέλου τους χρησιμοποιώντας μια περισσότερο εκλεπτυσμένη θεωρία που αποδίδει πλήρως τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφένιου σε καθεστώς υψηλής ενέργειας, παρακάμπτοντας έτσι το όριο χαμηλής ενέργειας όπως απαιτείται από την προσέγγιση του κώνου Dirac. Χωρίς να βασίζεται στην προσέγγιση του κώνου Dirac, αυτό το νέο μοντέλο θερμιονικής εκπομπής επιτρέπει τώρα μια μεγάλη σειρά συσκευών, βασισμένων στο γραφένιο που λειτουργούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες και ενεργειακό καθεστώς, να περιγράφονται καθολικά κάτω από ένα απλό πλαίσιο.

«Το γενικευμένο μοντέλο που αναπτύχθηκε σε αυτή την εργασία θα είναι ιδιαίτερα πολύτιμο για το σχεδιασμό προηγμένων μετατροπέων θερμικών αποβλήτων σε ηλεκτρισμό και ηλεκτρονικών χαμηλής ενέργειας χρησιμοποιώντας γραφένιο, το οποίο μπορεί να προσφέρει νέες ελπίδες στη μείωση του ενεργειακού αποτυπώματος των υπολογιστικών και επικοινωνιακών συσκευών επόμενης γενιάς», σημείωσε ο καθηγητής στο SUTD Ricky L. K. Ang.