La conversion directe d'une différence de température en électricité, connu sous le nom d'effet thermoélectrique, est une approche respectueuse de l'environnement pour récupérer directement l'électricité à partir de la chaleur. La capacité d'un matériau à convertir la chaleur en électricité est mesurée par son facteur de mérite thermoélectrique. Les matériaux avec un facteur de mérite thermoélectrique élevé sont donc largement souhaités pour une utilisation dans la récupération d'énergie. Les effets de confinement quantique dans les nanomatériaux résultant de leurs états électroniques discrets peuvent augmenter leur facteur de mérite thermoélectrique. En particulier, une seule molécule reliant deux électrodes affiche un confinement quantique. L'optimisation des états électroniques d'électrodes de pontage d'une seule molécule pourrait produire un effet thermoélectrique important. Le contact entre la molécule et les électrodes influencera également son comportement thermoélectrique. Cependant, cette relation a rarement été envisagée en raison de difficultés techniques.

Des chercheurs de l'Université d'Osaka ont récemment étudié l'influence de la géométrie des contacts entre une seule molécule et une électrode sur le comportement thermoélectrique de la molécule. Comme indiqué dans une édition récente de Rapports scientifiques , ils ont mesuré simultanément la conductance électrique et la thermotension de molécules avec différents groupes ancrant les molécules aux électrodes à température ambiante sous vide.

L'équipe a d'abord fabriqué des structures constituées d'électrodes d'or pontées par diverses molécules uniques. La distance entre les électrodes, qui ont été maintenus sous un gradient de température, a été augmenté et diminué à plusieurs reprises tandis que la conductance électrique et la tension thermique de chaque structure ont été mesurées.

"Nous avons étudié les caractéristiques thermoélectriques de diverses molécules simples à base de benzène en mettant l'accent sur l'influence de leurs structures de jonction, " dit l'auteur correspondant Makusu Tsutsui. " Les molécules ont affiché un comportement différent en fonction de leurs groupes d'ancrage d'électrodes, et tous les types de molécules affichaient plusieurs états de thermotension."

Les multiples états de thermotension des molécules ont été étudiés par des mesures thermoélectriques et une analyse théorique. L'effet thermoélectrique le plus important a été observé pour les structures contenant une liaison thiol étirée avec l'électrode en or. L'augmentation de la tension thermique des structures avec une liaison or-thiol étirée a été attribuée à cette configuration déplaçant le niveau d'énergie de la molécule impliquée dans le transport des électrons vers une position plus favorable.

"La dépendance observée de la thermotension sur le groupe d'ancrage dans les structures de jonction révèle un moyen de moduler les performances thermoélectriques des dispositifs à molécule unique, " explique Tsutsui.

Les résultats du groupe élargissent notre compréhension de la façon dont la géométrie d'un dispositif à molécule unique peut influencer sa figure de mérite thermoélectrique. Ces découvertes devraient contribuer au développement de dispositifs thermoélectriques à molécule unique capables de dériver efficacement de l'électricité à partir de la chaleur.