新加坡技术与设计大学 说明石墨烯中电子在不同能态下的热电子发射过程的能带结构；狄拉克锥近似下石墨烯的低能带结构；石墨烯更一般的能带结构，包括低能区和高能区；(四)在(二)和(三)中，能带结构理论预测的电子态密度有很大差异
信用:SUTD 当一种金属被加热到足够高的温度时，电子可以从表面喷射出来，这一过程被称为热离子发射，类似于水分子从沸水表面蒸发的过程
电子的热电子发射在基础物理和数字电子技术中起着重要的作用
历史上，热离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
在20世纪20年代，柯林顿·戴维孙和莱斯特·杰默进行的标志性实验中，曾使用过这种电子束来说明电子的波部分粒子对偶性——这是量子物理学的一个奇怪结果，标志着现代量子时代的开始
从技术上来说，热离子发射形成了真空管技术的核心——现代晶体管技术的前身——这使得第一代数字计算机得以发展
今天，热离子发射仍然是最重要的导电机制之一，它控制着我们现代计算机和智能手机中数十亿个晶体管的运行
尽管传统材料如铜和硅中的热离子发射已经被英国物理学家O
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理查森在1901年提出，热电子发射到底是如何在石墨烯中发生的，石墨烯是一种单原子薄纳米材料，具有非常不寻常的物理性质，这仍然是一个鲜为人知的问题
理解石墨烯的热电子发射尤其重要，因为石墨烯可能是一系列技术革命的关键，包括电子计算、生物传感器、量子计算机、能量采集器，甚至驱蚊器
石墨烯及其更广泛的原子级薄纳米材料家族——也被称为“二维材料”——被2016年世界经济论坛列为十大新兴技术
新加坡技术与设计大学的研究人员在《物理评论应用》中报道，他们发现了一个描述石墨烯热离子发射的一般理论
通过仔细研究石墨烯的电子性质，他们构建了一个广义的理论框架，该框架可用于准确捕捉石墨烯中的热电子发射物理，并适用于各种石墨烯基器件的建模
“我们发现，用标准狄拉克锥近似错误地计算时，热离子发射产生的电能和热能的传导可能会偏离50%以上，”参加这项研究的苏特大学本科生陈月一说
石墨烯的电子性质通常用狄拉克锥近似来描述，狄拉克锥近似是一个简单的理论框架，基于石墨烯中电子的异常行为，模拟生活在超相对论区域的快速运动粒子
这种狄拉克锥近似形成了理解石墨烯物理性质的标准范例，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
然而，当石墨烯中的电子被热或光激发到更高的能量状态时，它们不再遵循狄拉克锥近似
SUTD的研究人员意识到，使用狄拉克锥近似来模拟石墨烯高激发电子的热电子发射会导致虚假的结果，产生非常不可靠的预测，与石墨烯电子和能量器件的实际性能有很大的偏差
SUTD研究人员开发的新方法通过使用更复杂的理论显著提高了他们模型的可靠性，该理论充分考虑了石墨烯在高能区的电子特性，从而绕过了狄拉克锥近似所要求的低能限制
在不依赖狄拉克锥近似的情况下，这种新的热离子发射模型现在允许在单个框架下统一描述在不同温度和能量状态下工作的各种石墨烯基器件(参见图)
里奇·L教授说:“这项工作中开发的通用模型对于使用石墨烯的尖端废热发电转换器和低能耗电子器件的设计特别有价值，这可能为减少下一代计算和通信设备的能源足迹带来新的希望。”
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上海交通大学科学与数学系主任昂
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