单个共轭聚合物分子的热电转换性能研究

Investigation of thermoelectric energy conversion has become an attractive research field recently due to the dramatic global energy consumption increase. The conversion efficiencies in such process are intrincicly low due to the fact that they are converting energy in high entropy form to energy in low entropy form (which are generally irreversable), whose upper efficiency limit is given by that of an ideal Carnot Engine. As such, lowering entropy (E.g. via lowering the dimension of materials) of the heat in such process would be an effective way to improve the energy conversion efficiency. Furthermore, a recent thoeritical study (PRL 94, 096601) shows that thermoelectircal process in one dimensional material could even be reversible and the energy conversion efficiency could be dramatically improved. In this application, we plan to study the thermoelectrical energy conversion properties (electrical conductivity, thermal conductivity and Seebeck coefficient) of single-conjugated-molecules in "tip-single molecule-substrate" junctions via a home built Low Temperature Scanning Thermoelectric Microscope. Such study would help to shine light on the quantum size effect in thermoelectric conversion process in real low dimensional material, thus would help to design and fabricate better thermoelectic material in the future.

热电转换研究在当今能源日益紧缺的背景下是具有重大现实意义的研究领域。由于热能向电能的转换过程是高熵状态能量(热能)向低熵状态能量(电能)的转换过程(通常这种过程是不可逆的)，效率较低，其理论上限就是理想卡诺热机的效率。从而，在热电转换过程中的引入纳米结构从而降低待转换热量所携带的熵，是提高热电转换效率的有效手段。尤其是，近期有理论预言发生在一维半导体材料中的热电转换过程甚至可以是热力学可逆的(PRL 94, 096601)，其效率可以大大提高。本项目计划利用我们自己研发的低温扫描热电显微镜，在超高真空中构筑"金属针尖-单个共轭有机分子－金属衬底"分子节，研究具有"类一维导体"性质的单个共轭分子的热电转换性能(同时包括热导率、电导率及热电势三类性质的测量)，以期揭示量子效应对实际低维热电材料的热电转换效率的影响，为设计、制备高转换效率热电材料提供理论和实验依据。

本项目的研究背景是理解低维材料的导电、导热行为，寻找具有较高热电转换效率的功能材料。项目主要尝试利用扫描热电显微镜在真空中构建金属-共轭分子-金属分子节的模式来研究共轭分子的导电、导热行为。这种研究方式的区别于其他研究方法(主流的方法是：将分子溶于溶液中，然后将溶液挥发，分子会随机地沉淀于金属电极之间)的主要优点是能够比较准确地确定分子与电极间的空间结构关系，从而能够良好地与理论计算相结合，阐明分子导电、导热过程的中主要机理。研究中发现这类方法的主要挑战在于构建符合预期的分子节过程：期望目标分子是一个具有良好一维性质的材料，也就是具有较大长宽比的分子。而这类分子如果采用直接蒸镀的方法很容易在蒸镀过程中断裂成多个碎片，无法构建预期的分子节。实现目标的另一个可能途径是首先蒸镀小分子，然后在真空中通过化学反应使得这些小分子聚合成目标分子。我们研究了真空条件下多种小分子在不同衬底(催化剂)的化学反应过程，相应结果发表在多篇SCI论文中。为后继研究工作铺垫了良好的基础。