Пленки из производных фуллерена сделали эффективными термоэлектриками

Ученые синтезировали термоэлектрические пленки из производных фуллерена, содержащих различное количество допанта, обеспечивающего проводимость n-типа, и боковых групп из триэтиленгликоля, способствующих упорядочиванию молекул. Эффективность преобразования тепла в электричество нового материала достигала значения 0,34 при 120 градусах Цельсия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Термоэлектрические материалы используют для преобразования лишней тепловой энергии в электричество, а также для передачи или отвода тепла. Свойство превращать тепловую энергию в электричество и наоборот оценивают по термоэлектрической добротности, которая зависит от его коэффициента Зеебека, электропроводности, температуры и теплопроводности. Идеальный термоэлектрик должен соответствовать концепции «фононное стекло — электронный кристалл»: вещества должны проводить электричество так же хорошо, как кристаллический проводник, а тепло — плохо, как стекло.

Пока такого материала нет, однако ученые пытаются достичь цели путем создания наноструктур из неорганических кристаллов, снижая таким образом теплопроводность. Такие структуры обычно хрупкие и содержат либо токсичные, либо редкие элементы, что делает невозможным их использование в областях техники вроде носимых или портативных гаджетов. Термоэлектрики из органических веществ получаются плохие, хоть их и легче синтезировать, а также у них есть свойства «фононных стекол» за счет слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Однако их молекулярная структура обычно не упорядочена настолько, чтобы быть сходной с «электронными кристаллами».

Фуллерен С₆₀ за счет своей жесткой структуры плохо проводит тепло, а при модификации его структуры боковыми группами, проводящими электроны, и алкильными радикалами, еще более снижающими теплопроводность, может стать и хорошим термоэлектриком. Jian Liu (Лю Цзянь) с коллегами из Гронингенского университета предположили, что производное фуллерена с триэтиленгликолевыми боковыми цепями обеспечит как электронную проводимость, так и жесткую молекулярную структуру. Ученые синтезировали пленки из производных фуллеренов, отличающихся количеством этиленгликолевых участков, и n-допантом 4-(2,3-дигидро-1,3-диметил-1H-бензимидазол-2-ил)-N,N-диметилбензамином, повышающим электропроводность. Варьируя тип боковой цепи фуллеренов, концентрации допанта и температуру отжига получаемых пленок, исследователи подобрали условия создания материалов с лучшими свойствами.

Электропроводность материала составила более 10 сименс на сантиметр, а теплопроводность оказалась очень низкой — менее десятой Ватт на метр на кельвин. В итоге добротность материала достигла высшего на сегодняшний день для подобного материала значения: 0,34 при 120 градусах Цельсия.

По словам авторов, их работа доказывает применимость концепции «фононное стекло — электронный кристалл» к органическим термоэлектрикам и подтолкнет к созданию новых материалов с высокими значениями термоэлектрической добротности.

В прошлом году другая группа ученых сообщила о создании вещества с рекордно высокой термоэлектрической эффективностью со значением от пяти до шести. Однако структура была стабильна только в виде пленки на субстрате, что сильно ограничивает ее применимость. Хороша в применении может быть термоэлектрическая краска, которую представили корейские ученые. Ее можно было наносить на поверхности любых форм, и при нагревании до 450 градусов Цельсия она образовывала пленку, способную преобразовывать тепло в электричество.

Алина Кротова