Udforskning af omdannelsen af ​​varme til elektricitet i enkelte molekyler

Den direkte omdannelse af en temperaturforskel til elektricitet, kendt som den termoelektriske effekt, er en miljøvenlig tilgang til direkte høst af elektricitet fra varme. Et materiales evne til at omdanne varme til elektricitet måles ved dets termoelektriske værdi. Materialer med et højt termoelektrisk værdital er derfor i vid udstrækning ønsket til brug i energihøst. Kvanteindeslutningseffekter i nanomaterialer som følge af deres diskrete elektroniske tilstande kan øge deres termoelektriske værdi. I særdeleshed, et enkelt molekyle, der bygger bro mellem to elektroder, viser kvanteindeslutning. Optimering af de elektroniske tilstande af et enkelt molekyle, der brokobler elektroder, kunne give en stor termoelektrisk effekt. Kontakten mellem molekylet og elektroderne vil også påvirke dets termoelektriske adfærd. Imidlertid, dette forhold er sjældent blevet overvejet på grund af tekniske vanskeligheder.

Forskere ved Osaka University har for nylig undersøgt den indflydelse, som geometrien af ​​enkelt molekyle-elektrode kontakter har på molekylets termoelektriske adfærd. Som rapporteret i en nylig udgave af Videnskabelige rapporter , de målte samtidig den elektriske ledningsevne og termospænding af molekyler med forskellige grupper, der forankrede molekylerne til elektroderne ved stuetemperatur i vakuum.

Holdet fremstillede først strukturer, der består af guldelektroder, der er brokoblet af forskellige enkeltmolekyler. Afstanden mellem elektroderne, som blev holdt under en temperaturgradient, blev gentagne gange øget og reduceret, mens den elektriske ledningsevne og termospænding af hver struktur blev målt.

"Vi undersøgte de termoelektriske egenskaber af forskellige enkelt benzen-baserede molekyler med vægt på indflydelse af deres junction strukturer, " siger den tilsvarende forfatter Makusu Tsutsui. "Molekylerne udviste forskellig adfærd afhængigt af deres elektrodeforankringsgrupper, og alle molekyletyper viste flere termospændingstilstande."

Molekylernes multiple termospændingstilstande blev undersøgt ved termoelektriske målinger og teoretisk analyse. Den største termoelektriske effekt blev observeret for strukturer indeholdende en strakt thiolbinding med guldelektroden. Den øgede termospænding af strukturerne med en strakt guld-thiol-binding blev tilskrevet, at denne konfiguration flyttede energiniveauet for det molekyle, der er involveret i elektrontransport, til en mere gunstig position.

"Den observerede afhængighed af termospænding på forankringsgruppen i forbindelsesstrukturerne afslører en måde at modulere den termoelektriske ydeevne af enkeltmolekylære enheder, " forklarer Tsutsui.

Gruppens resultater udvider vores forståelse af, hvordan geometrien af ​​en enhed med enkelt molekyle kan påvirke dens termoelektriske værdi. Disse resultater skulle bidrage til udviklingen af ​​enkeltmolekyle termoelektriske enheder, der effektivt kan udlede elektricitet fra varme.