De directe omzetting van een temperatuurverschil in elektriciteit, bekend als het thermo-elektrische effect, is een milieuvriendelijke benadering om rechtstreeks elektriciteit uit warmte te winnen. Het vermogen van een materiaal om warmte om te zetten in elektriciteit wordt gemeten aan de hand van zijn thermo-elektrische verdienste. Materialen met een hoog thermo-elektrisch cijfer van verdienste zijn dus algemeen gewenst voor gebruik bij het oogsten van energie. Quantum opsluitingseffecten in nanomaterialen die voortkomen uit hun discrete elektronische toestanden kunnen hun thermo-elektrische verdienste verhogen. Vooral, een enkel molecuul dat twee elektroden overbrugt, vertoont kwantumopsluiting. Optimalisatie van de elektronische toestanden van een enkele molecuul overbruggingselektroden zou een groot thermo-elektrisch effect kunnen opleveren. Het contact tussen het molecuul en de elektroden zal ook het thermo-elektrische gedrag ervan beïnvloeden. Echter, deze relatie is zelden overwogen vanwege technische problemen.

Onderzoekers van de Universiteit van Osaka hebben onlangs de invloed onderzocht die de geometrie van contacten met een enkel molecuul en een elektrode heeft op het thermo-elektrische gedrag van het molecuul. Zoals gemeld in een recente editie van Wetenschappelijke rapporten , ze maten tegelijkertijd de elektrische geleiding en thermospanning van moleculen met verschillende groepen die de moleculen aan de elektroden verankeren bij kamertemperatuur in vacuüm.

Het team maakte eerst structuren die bestonden uit gouden elektroden die werden overbrugd door verschillende afzonderlijke moleculen. De afstand tussen de elektroden, die onder een temperatuurgradiënt werden gehouden, werd herhaaldelijk verhoogd en verlaagd terwijl de elektrische geleiding en thermospanning van elke structuur werd gemeten.

"We onderzochten de thermo-elektrische eigenschappen van verschillende op benzeen gebaseerde moleculen met de nadruk op de invloed van hun verbindingsstructuren, " zegt corresponderende auteur Makusu Tsutsui. "De moleculen vertoonden verschillend gedrag, afhankelijk van hun elektrode-verankerende groepen, en alle soorten moleculen vertoonden meerdere thermovoltage-toestanden."

De meervoudige thermospanningstoestanden van de moleculen werden onderzocht door thermo-elektrische metingen en theoretische analyse. Het grootste thermo-elektrische effect werd waargenomen voor structuren die een uitgerekte thiolbinding met de goudelektrode bevatten. De verhoogde thermospanning van de structuren met een uitgerekte goud-thiolbinding werd toegeschreven aan deze configuratie, waardoor het energieniveau van het molecuul dat betrokken is bij het elektronentransport naar een gunstiger positie verschuift.

"De waargenomen afhankelijkheid van thermospanning van de verankeringsgroep in de verbindingsstructuren onthult een manier om de thermo-elektrische prestaties van apparaten met één molecuul te moduleren, ", legt Tsutsui uit.

De resultaten van de groep vergroten ons begrip van hoe de geometrie van een apparaat met één molecuul zijn thermo-elektrische verdienste kan beïnvloeden. Deze bevindingen moeten bijdragen aan de ontwikkeling van thermo-elektrische apparaten met één molecuul die efficiënt elektriciteit uit warmte kunnen halen.