L’effet Seebeck est un phénomène thermoélectrique par lequel une tension ou un courant est généré lorsqu’une différence de température existe à travers un conducteur. Cet effet est à la base des applications thermoélectriques établies et émergentes, telles que les récupérateurs d’énergie chaleur-électricité, les dispositifs de détection et le contrôle de la température.
Conformément à la demande incessante d’appareils toujours plus petits, les scientifiques recherchent de nouvelles façons d’exploiter l’effet Seebeck à l’échelle nanométrique. Une façon d’y parvenir consiste à utiliser des jonctions moléculaires, qui sont des dispositifs miniatures constitués de deux électrodes reliées par une ou quelques molécules individuelles. En fonction de la sensibilité de ces molécules à la température, il est possible d’affiner les propriétés thermoélectriques des jonctions moléculaires pour correspondre à leur application prévue.
Jusqu’à présent, la plupart des études sur la thermoélectricité moléculaire se sont limitées à des molécules organiques plutôt simples. Cela a conduit à des jonctions moléculaires avec un faible coefficient Seebeck, ce qui se traduit par une conversion et des performances médiocres de la température en tension. Il existe donc un défi permanent pour concevoir des jonctions moléculaires avec de meilleures caractéristiques et, surtout, un coefficient Seebeck plus élevé.
Une étude récente menée par une équipe de recherche comprenant le professeur adjoint Yuya Tanaka de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, et le professeur Hyo Jae Yoon de l’Université de Corée, en Corée, pourrait conduire à des progrès substantiels dans ce domaine. Comme indiqué dans leur article publié dans Nano-lettresles chercheurs avaient jeté leur dévolu sur un type particulier de composé organométallique qui pourrait être la clé de cette énigme : les complexes ruthénium alcynyle.
Mais contrairement aux études précédentes, l’équipe était curieuse de savoir si les complexes multinucléaires de ruthénium alcynyle basés sur plusieurs Ru(dppe)2 [where Ru is ruthenium and dppe is 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane] des fragments pourraient conduire à des jonctions moléculaires plus puissantes, grâce à leur structure électronique unique.
Pour tester leur théorie, les scientifiques ont préparé diverses monocouches auto-assemblées (SAM) constituées de deux électrodes plates opposées reliées par des composés organométalliques avec différents nombres de complexes ruthénium alcynyle. L’électrode chaude était en or ultra-lisse pour fournir un bon substrat d’ancrage pour les jonctions moléculaires organométalliques, tandis que l’électrode froide était en métal liquide, le gallium-indium eutectique, recouvert d’une couche d’oxyde de gallium.
L’équipe a étudié, à travers diverses expériences et méthodes théoriques, comment le coefficient Seebeck de ces SAM changeait en fonction du nombre d’atomes de ruthénium dans la jonction moléculaire, ainsi que de l’état d’oxydation et de la composition chimique détaillée de son squelette organique. Notamment, ils ont découvert que les jonctions moléculaires préparées atteignaient des performances thermoélectriques sans précédent, comme le fait remarquer le professeur adjoint Tanaka : « Nos composés organométalliques présentaient des valeurs de coefficient Seebeck beaucoup plus élevées que leurs homologues purement organiques. De plus, à notre connaissance, un coefficient Seebeck de 73 μV/K, obtenu pour le complexe trinucléaire du ruthénium, est remarquablement superbe par rapport aux molécules conventionnelles rapportées dans la littérature. » De plus, les jonctions moléculaires préparées présentaient une stabilité thermique remarquable, ce qui élargit leurs champs d’application potentiels.
Ces résultats sont très encourageants pour ceux qui travaillent dans le domaine de la thermoélectronique, car ils pourraient pointer vers de nouvelles stratégies pour enfin réaliser une percée dans la production de semi-conducteurs à l’échelle nanométrique. « Ce travail offre des informations importantes sur le développement de dispositifs à l’échelle moléculaire pour une thermorégulation et une conversion chaleur-électricité efficaces », souligne le professeur adjoint Tanaka.
Assurez-vous de garder un œil sur les nouveaux développements dans les jonctions moléculaires thermoélectriques à l’avenir ; ils pourraient être la clé d’une production d’énergie durable à partir de la chaleur et du contrôle thermique dans les appareils électroniques de nouvelle génération.
Plus d’information:
Sohyun Park et al, Coefficient Seebeck élevé obtenu par les jonctions moléculaires organométalliques multinucléaires, Nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c03974