Forskere undersøger de fulde termoelektriske egenskaber af et enkelt molekyle

En af fysikeres drømme i dag er at kunne høste elektricitet tilbage fra afledt varme. Nøglen til dette ligger sandsynligvis i kredsløb, der indeholder enkelte molekyler. I stedet for at være begrænset til klassisk konduktans, termokraften kan forstærkes dramatisk af egenskaberne ved kvantetilstande. Men derefter, hvilke kvantetilstande giver god effektivitet? Hvilke egenskaber er ønskelige? Teori tilbyder ofte kontrasterende forudsigelser. Desværre, eksperimenter har heller ikke endnu givet noget bevis, da de notorisk er svære at sætte op. Men nu, forskere ved Delft University of Technology (TU Delft) i samarbejde med UC Louvain, University of Oxford, Northwestern University og Heriot-Watt University har gjort netop det. De undersøgte eksperimentelt de gate- og forspændingsafhængige termoelektriske egenskaber af et enkelt molekyle for allerførste gang. Resultaterne er offentliggjort i Natur nanoteknologi .

At mestre termostrømmen gennem enkelte molekyler har nøglen til termoelektriske energihøstere med hidtil uset effektivitet. Dette er kun sandt i teorien, selvom, fordi detaljerede eksperimentelle tests simpelthen ikke var mulige indtil nu:at studere de termoelektriske egenskaber af et enkelt molekyle er en vanskelig opgave, der kræver muligheden for præcist at opvarme den ene side af et enkelt molekyle, mens dens anden side holdes kold. Det kræver også evnen til nøjagtigt at måle de resulterende minut termoelektriske strømme, som kun er få fA-pA i størrelse. Desuden, justering af eksperimentelle parametre som temperaturforspænding anvendt på det enkelte molekyle og kontrol af dets elektrokemiske potentiale er afgørende for en grundig forståelse af den underliggende fysik af termoelektricitet i sådanne atomstore objekter.

Langvarige antagelser

I et nyt blad, forskere fra TU Delft opnår et så udfordrende eksperiment. De anvender en ny metodologi, der giver dem mulighed for at studere de elektriske og termoelektriske egenskaber af et enkelt molekyle samtidigt, og over et stort gate- og forspændingsregime.

"Vores eksperimenter afslører - for første gang - rollen af ​​indre frihedsgrader, som molekylære vibrationer eller spinentropi, om termoelektriske egenskaber, " siger tidligere TU Delft-forsker og adjunkt ved UC Louvain Pascal Gehring. "Ved at få adgang til den termoelektriske responsfunktion, vi opnår fuld indsigt i enkeltmolekylers transmissionsfunktion, og dermed verificere langvarige antagelser om samspillet mellem elektronisk, spin og vibrationsgrader af frihed i molekylær elektronik."

Syntetiske retninger

Målingerne er de første af deres slags. De afslører de forskellige bidrag fra forskellige stater, og vise vigtigheden af ​​elektron-vibrationskobling og spinentropi. Gehring:"Således validerer vi teorier om, hvilke faktorer der påvirker de termoelektriske egenskaber mest afgørende, og angive de syntetiske retninger for at påvirke varme- til energiomdannelsen i enkelte molekyler."

Resultaterne giver også den første realistiske implementering af et molekylært design. Forskerne fandt ud af, at den termoelektriske reaktion af et enkelt molekyle er stærkt påvirket af dets entropi, eller med andre ord, dens tilstand af uorden. Hvis entropien af ​​molekylet ændrer sig meget ved at tilføje en ekstra elektron til det (fordi, f.eks. dens spin grad af frihed ændrer sig), en forbedret termoelektrisk effektfaktor kan opnås. Dermed, konstruktion af enkelte molekyler med høje rumlige eller spin-entropier ville være en lovende ny måde at designe fremtidige termoelektriske kraftgeneratorer til energihøst.