Eutectic gallium-indium based thermoelectrics in tunnelling junctions comprising self-assembled monolayers

EGaIn-gebaseerde thermo-elektrische opstelling met hoge flexibiliteit

In zijn proefschrift presenteert Lungani Mthembu een nieuwe op EGaIn gebaseerde thermo-elektrische opstelling met hoge flexibiliteit en extreme mogelijkheden. Zelf-geassembleerde monolagen worden al vele jaren gemeten met behulp van talloze verschillende meetplatforms om de transporteigenschappen van verschillende moleculen te bepalen. Ladingstransport in SAM’s kan plaatsvinden door middel van tunnelen en hoppen. Bij het tunnelen wordt een elektron overgedragen tussen energieniveaus over energiebarrières in de verstrooiingszone, terwijl hoppend transport een stapsgewijs proces is dat wordt gemedieerd door de redoxniveaus van de linkermoleculen. Tunnelovergangen van SAM’s zijn uitgebreid bestudeerd met behulp van EGaIn als topelektrodecontact en het is daarom interessant om EGaIn als topelektrode te gebruiken om thermoelektrische energie te bestuderen en de Seebeck-coëfficiënt te berekenen. 

Mthembu bestudeerde in één studie de lengteafhankelijkheid van even genummerde alkaanthiolen van C2 tot C18SH door eerst de in de literatuur gerapporteerde lengteafhankelijkheidstrend onder omgevingsomstandigheden te reproduceren. Met behulp van een recent ontwikkeld op EGaIn gebaseerd thermoelektrisch meetplatform verlaagde hij systematisch de temperatuur van de onderste elektrode (AuTS), waardoor verschillende ΔT’s ontstonden die het transport beïnvloeden. De temperatuurgradiënt wordt omgekeerd van positief naar negatief, wat een aanzienlijke invloed heeft op het transport, wat resulteert in een afgeplatte curve. Deze studie roept belangrijke vragen op over door metaal geïnduceerde gap-toestanden en de snelheid waarmee de Seebeck verandert met de moleculaire lengte. Mthembu  nam het verdwijnen waar van de eerder gerapporteerde twee lengteafhankelijke regimes met lagere temperaturen. De elektrodewerkfunctie, het substraat, SAM en EGaIn waren mogelijke bronnen van het fenomeen dat werd waargenomen door het verlagen van de elektrodetemperaturen en het observeren van de volledige eliminatie van twee lengteafhankelijke regimes in alkaanthiolen. De richting van ladingsdragers werd veranderd 1 van +ΔT naar -ΔT, wat het moleculaire gedrag beïnvloedde.

In een andere studie bevestigde Mthembu de meting van de alkaanthiolen C12 - C16SH onder omgevingsomstandigheden de bekende lengteafhankelijkheid. Seebeckmetingenwerden uitgevoerd op een+ΔT en−ΔT gradiënt. Wanneer de temperatuur van AuTS lager is dan EGaIn is ΔT negatief en wanneer AuTS boven EGaIn wordt verwarmd, is ΔT positief. In beide ΔTs werden op fullereen gebaseerde SAMs en SABs PTEG-1 gemeten en veranderde het teken van de Seebeck-coëfficiënt in hetzelfde moleculaire systeem van + op SAM naar − op SAB. Er werd bevestigd dat transport niet-resonent tunnellig is en een moleculaire orbitale verschuiving vanHOMO naar LUMO is verantwoordelijk voor de verandering in het teken van de Seebeck-coëfficiënt.

Tenslotte presenteert Mthembu een vergelijkende studie van een single-level model (SLM) om het ladingstransport in tunnels te beschrijven tussen alkaanthiolen (CnSH; = 7 - 16) en oligofenyleen dithiol (TnC4; = 1 - 4) chemisch gesorbeerd op ultravlak Au substraten. Met behulp van Vtrans-waarden geëxtraheerd uit diagrammen van stroom versus spanning, paste Mthembu de SLM toe op gegevens verkregen met behulp van EGaIn, die hij vergelijkt met metingen van ultraviolette foto-elektronenspectroscopie. Mthembu concludeert dat, over de twee meetplatforms in beide moleculaire systemen, het substraat (onderste elektrode) en de moleculaire lengte de koppeling voor zowel CnSH als TnC4 sterk beïnvloeden, maar de energiekloof tussen de grensmoleculaire orbitalen en het Fermi-niveau is systematisch groter voor EGaIn dan UPS. Deze waarneming geldt voor zowel alkaanthiolen als aromatische/-geconjugeerde moleculaire systemen en suggereert dat het molecuul-elektrode-grensvlak de niveau-uitlijning beïnvloedt in overeenstemming met wat wordt voorspeld door werkfuncties. Deze resultaten demonstreren de reproduceerbaarheid van de SLM in beide meetplatforms, waardoor de bruikbaarheid ervan wordt vergroot en licht wordt geworpen op de discrepanties die vaak worden waargenomen bij het vergelijken van kruispunten gemeten door het CP-AFM-platform, zoals gerapporteerd in de literatuur.

Lungani Mthembu voerde zijn onderzoek uit bij het Stratingh Institute for Chemistry, afdeling Chemie van (Bio)organische Materialen en Devices, met financiering van National Research Foundation of South Africa. Hij vervolgt zijn loopbaan als lecturer bij North West University. 

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/c824ae8d-e5c0-456b-a0dd-5c8dfff00e86