Der Seebeck-Effekt ist ein thermoelektrisches Phänomen, durch das eine Spannung oder ein Strom erzeugt wird, wenn eine Temperaturdifferenz über einem Leiter besteht. Dieser Effekt ist die Grundlage sowohl für etablierte als auch für neue thermoelektrische Anwendungen, wie z. B. Wärme-zu-Strom-Energiesammler, Sensorgeräte und Temperaturregelung.
Im Einklang mit der unablässigen Nachfrage nach immer kleineren Geräten suchen Wissenschaftler nach neuen Wegen, um den Seebeck-Effekt im Nanomaßstab zu nutzen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung von Molecular Junctions, bei denen es sich um Miniaturgeräte handelt, die aus zwei Elektroden bestehen, die von einem oder wenigen einzelnen Molekülen überbrückt werden. Je nachdem, wie temperaturempfindlich diese Moleküle sind, ist es möglich, die thermoelektrischen Eigenschaften von molekularen Kontaktstellen genau auf ihre beabsichtigte Anwendung abzustimmen.
Bisher beschränkten sich die meisten Studien zu molekularen Thermoelektrika auf eher einfache organische Moleküle. Dies hat zu molekularen Übergängen mit einem niedrigen Seebeck-Koeffizienten geführt, was sich in einer schlechten Umwandlung von Temperatur in Spannung und Leistung niederschlägt. Es besteht daher eine ständige Herausforderung, molekulare Verbindungen mit besseren Eigenschaften und vor allem einem höheren Seebeck-Koeffizienten zu entwerfen.
Eine aktuelle Studie, die von einem Forschungsteam durchgeführt wurde, darunter Assistenzprofessorin Yuya Tanaka vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, und Professor Hyo Jae Yoon von der Korea University, Korea, könnte zu wesentlichen Fortschritten auf diesem Gebiet führen. Wie in ihrem Artikel angegeben, der in veröffentlicht wurde Nano-Buchstabenhatten die Forscher ihr Augenmerk auf eine bestimmte Art von metallorganischen Verbindungen gerichtet, die der Schlüssel zu diesem Rätsel sein könnten: Ruthenium-Alkinyl-Komplexe.
Im Gegensatz zu früheren Studien war das Team jedoch neugierig, ob mehrkernige Ruthenium-Alkinyl-Komplexe auf mehreren Ru(dppe)2 basieren [where Ru is ruthenium and dppe is 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane] Fragmente könnten dank ihrer einzigartigen elektronischen Struktur zu stärkeren molekularen Verbindungen führen.
Um ihre Theorie zu testen, präparierten die Wissenschaftler verschiedene selbstorganisierte Monoschichten (SAMs), die aus zwei gegenüberliegenden flachen Elektroden bestehen, die durch metallorganische Verbindungen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Ruthenium-Alkinyl-Komplexen verbunden sind. Die heiße Elektrode bestand aus ultraglattem Gold, um ein gutes Verankerungssubstrat für die metallorganischen Molekülübergänge bereitzustellen, während die kalte Elektrode aus einem flüssigen Metall, eutektischem Gallium-Indium, hergestellt war, das von einer Galliumoxidschicht bedeckt war.
Das Team untersuchte durch verschiedene Experimente und theoretische Methoden, wie sich der Seebeck-Koeffizient dieser SAMs in Abhängigkeit von der Anzahl der Rutheniumatome in der molekularen Verbindung sowie dem Oxidationszustand und der detaillierten chemischen Zusammensetzung ihres organischen Rückgrats veränderte. Bemerkenswerterweise fanden sie heraus, dass die präparierten molekularen Verbindungen eine beispiellose thermoelektrische Leistung erreichten, wie Assistenzprofessor Tanaka anmerkt: „Unsere metallorganischen Verbindungen wiesen viel höhere Seebeck-Koeffizientenwerte auf als ihre rein organischen Gegenstücke. Darüber hinaus, nach unserem besten Wissen, einen Seebeck-Koeffizienten von 73 μV/K, erhalten für den dreikernigen Rutheniumkomplex, ist bemerkenswert hervorragend im Vergleich zu herkömmlichen Molekülen, über die in der Literatur berichtet wird.“ Hinzu kommt, dass die hergestellten molekularen Verbindungen eine bemerkenswerte thermische Stabilität aufweisen, was ihre potenziellen Anwendungsgebiete erweitert.
Diese Ergebnisse sind sehr ermutigend für diejenigen, die auf dem Gebiet der Thermoelektronik arbeiten, da sie neue Strategien aufzeigen könnten, um endlich einen Durchbruch bei der Herstellung von Halbleitern im Nanobereich zu erzielen. „Diese Arbeit bietet wichtige Einblicke in die Entwicklung von Geräten im molekularen Maßstab für eine effiziente Thermoregulierung und Umwandlung von Wärme in Elektrizität“, betont Assistant Professor Tanaka.
Halten Sie in Zukunft Ausschau nach neuen Entwicklungen bei thermoelektrischen molekularen Kontakten; Sie könnten der Schlüssel zu einer nachhaltigen Stromerzeugung aus Wärme und thermischer Steuerung in elektronischen Geräten der nächsten Generation sein.
Mehr Informationen:
Sohyun Park et al, High Seebeck Coefficient Achieved by Multinuclear Organometallic Molecular Junctions, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03974