Thermo-elektriciteit op nanoschaal mogelijk maken met een nieuwe organometallische moleculaire junctie

Het Seebeck-effect is een thermo-elektrisch fenomeen waarbij een spanning of stroom wordt gegenereerd wanneer er een temperatuurverschil bestaat over een geleider. Dit effect is de basis van zowel gevestigde als opkomende thermo-elektrische toepassingen, zoals warmte-naar-elektriciteitsenergie-oogstmachines, meetapparatuur en temperatuurregeling.

In overeenstemming met de niet-aflatende vraag naar steeds kleinere apparaten, zoeken wetenschappers naar nieuwe manieren om het Seebeck-effect op nanoschaal te benutten. Een manier om dit te bereiken is door moleculaire juncties te gebruiken, dit zijn miniatuurapparaten die bestaan ​​uit twee elektroden die zijn overbrugd door een of enkele individuele moleculen. Afhankelijk van hoe gevoelig deze moleculen zijn voor temperatuur, is het mogelijk om de thermo-elektrische eigenschappen van moleculaire juncties nauwkeurig af te stemmen op hun beoogde toepassing.

Tot nu toe zijn de meeste onderzoeken naar moleculaire thermo-elektriciteit beperkt gebleven tot vrij eenvoudige organische moleculen. Dit heeft geleid tot moleculaire juncties met een lage Seebeck-coëfficiënt, wat zich vertaalt in slechte temperatuur-naar-spanning-conversie en prestaties. Er is daarom een ​​voortdurende uitdaging om moleculaire knooppunten te ontwerpen met betere eigenschappen en vooral een hogere Seebeck-coëfficiënt.

Een recent onderzoek, uitgevoerd door een onderzoeksteam met onder meer assistent-professor Yuya Tanaka van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, en professor Hyo Jae Yoon van de Korea University, Korea, kan tot substantiële vooruitgang op dit gebied leiden. Zoals vermeld in hun paper gepubliceerd in Nano-brievenhadden de onderzoekers hun oog laten vallen op een bepaald type organometaalverbinding dat de sleutel tot dit raadsel zou kunnen zijn: rutheniumalkynylcomplexen.

Maar in tegenstelling tot eerdere studies was het team benieuwd of multinucleaire rutheniumalkynylcomplexen op basis van meerdere Ru(dppe)₂ [where Ru is ruthenium and dppe is 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane] fragmenten zouden kunnen leiden tot krachtigere moleculaire verbindingen, dankzij hun unieke elektronische structuur.

Om hun theorie te testen, hebben de wetenschappers verschillende zelf-geassembleerde monolagen (SAM’s) gemaakt, bestaande uit twee tegenover elkaar liggende platte elektroden die zijn verbonden door organometaalverbindingen met verschillende aantallen ruthenium-alkynylcomplexen. De hete elektrode was gemaakt van ultraglad goud om een ​​goed verankeringssubstraat te bieden voor de organometallische moleculaire verbindingen, terwijl de koude elektrode was gemaakt van een vloeibaar metaal, eutectisch gallium-indium, bedekt met een laag galliumoxide.

Het team bestudeerde, door middel van verschillende experimenten en theoretische methoden, hoe de Seebeck-coëfficiënt van deze SAM’s veranderde afhankelijk van het aantal rutheniumatomen in de moleculaire overgang, evenals de oxidatietoestand en gedetailleerde chemische samenstelling van de organische ruggengraat. Ze ontdekten met name dat de geprepareerde moleculaire knooppunten ongekende thermo-elektrische prestaties bereikten, zoals assistent-professor Tanaka opmerkt: “Onze organometaalverbindingen vertoonden veel hogere Seebeck-coëfficiëntwaarden dan hun puur organische tegenhangers. Bovendien, voor zover ons bekend, een Seebeck-coëfficiënt van 73 μV/K, verkregen voor het trinucleaire rutheniumcomplex, is opmerkelijk fantastisch in vergelijking met conventionele moleculen die in de literatuur worden vermeld.” Bovendien hadden de bereide moleculaire knooppunten een opmerkelijke thermische stabiliteit, wat hun potentiële toepassingsgebieden verbreedt.

Deze resultaten zijn zeer bemoedigend voor degenen die werkzaam zijn op het gebied van thermo-elektronica, omdat ze kunnen wijzen op nieuwe strategieën om eindelijk een doorbraak te bereiken in de productie van halfgeleiders op nanoschaal. “Dit werk biedt belangrijke inzichten in de ontwikkeling van apparaten op moleculaire schaal voor efficiënte thermoregulatie en conversie van warmte naar elektriciteit”, benadrukt assistent-professor Tanaka.

Houd in de toekomst zeker nieuwe ontwikkelingen in thermo-elektrische moleculaire knooppunten in de gaten; ze kunnen de sleutel zijn tot duurzame energieopwekking uit warmte en thermische controle in elektronische apparaten van de volgende generatie.