A theoretical study of thermoelectric efficiency and cooling power in organic molecular junctions
Une étude théorique de l'efficacité thermoélectrique et de la puissance de refroidissement dans les jonctions moléculaires organiques
Résumé
Thermoelectricity is the conversion of heat to electricity and vice versa. As Seebeck discovered, a voltage applied to an electronic device generates a heat current, while a temperature difference can generate electricity. During the past decades, the size of consumer electronics has been continuously decreasing. The down-sizing of the electronic devices requires a more efficient heat management. An interesting route towards this goal is the idea of using single molecules as electronic components which gave rise to "molecular electronics".In fact, the usage of organic molecules in thermoelectric applications has at tracted a great deal of attention due to their flexibility, relatively low price and their eco-friendly nature. In this work, the thermoelectric properties of molecular junctions based on oligo(phenyleneethynylene) (OPE3) derivatives were studied. With the help of Density Functional Theory (DFT) calculations, models for the molecular junctions were constructed. The electronic transport properties were obtained using Non Equilibrium Green’s Function-Density Functional based Tight-Binding (NEGF-DFTB). Firstly, the effect of side groups on the electronic conductance and thermopower of OPE3 derivatives was quantified. It is shown that these derivatives provide structural properties that are needed for highly efficient thermoelectric materials. Next,the effect of cross-linking molecules on the thermoelectric efficiency was investigated. Classical Molecular Dynamics (MD) was used to compute the phonon transport across the junctions. Combining the results from ab-initio and MD for electron and phonon transport, respectively, the thermoelectric efficiency in terms of the figure of merit ZT was computed for OPE3 derivatives. We have found that cross-linked molecules show a high ZT value, which makes them good candidates to be used as cooling systems. Finally, we introduce a circuit model that combines electron and phonon transport channels. This model allows to determine optimal parameter ranges in order to maximize cooling. Overall, our results demonstrate that the OPE3 derivatives display the necessary structural rigidity and compatible electronic structure to enable high performance devices for cooling applications.
La thermoélectricité est la conversion de chaleur en électricité et réciproquement. Comme l’a découvert Seebeck, une tension appliquée à un système électronique génère un flux de chaleur et un gradient de température peut générer un courant électrique. Durant ces dix dernières années, le nombre de consommateurs des systèmes électroniques a diminué de façon continue. La miniaturisation des systèmes électroniques demande d’optimiser la gestion de la dissipation de chaleur. Une manière intéressante pour réaliser ceci consiste à utiliser des molécules uniques comme composant électronique élémentaire, ce qui a donné naissance au champ de « l’électronique moléculaire ». En fait, l’utilisation de molécules organiques pour des applications thermoélectriques a attiré beaucoup d’attention du fait de leur flexibilité, leur faible coût et leur non-toxicité. Dans ce manuscrit, les propriétés thermoélectriques des jonctions moléculaires basées sur les dérivés d’oligos (phenyleneethynylene)(OP3) ont été étudiées. A l’aide de calculs reposants sur la Théorie Fonctionnelle de Densité (DFTB), nous avons construit des modèles de jonctions moléculaires. Les propriétés de transport électronique ont été obtenues grâce à la fonction non équilibrée de densité de fonction de Green « tight-binding » (NEGF-DFTB). Dans un premier temps, les effets des groupes pendants de la structure sur la conductance électronique et de la puissance thermique des dérivés de l’OP3 ont été quantifiés. Nous avons montré que ces dérivés proviennent des propriétés de structures qui sont utilisées afin d’obtenir des matériaux thermoélectriques présentant une grande efficacité. Ensuite, les effets d’enchevêtrement des molécules sur l’efficacité thermoélectrique ont été explorées. Les simulations de dynamique moléculaire classique (MD) ont été utilisées pour calculer le transport de phonons au travers des jonctions moléculaires. En combinent les résultats ab-initio avec le modèle classique MD pour décrire respectivement le transport des électrons et phonons, l’efficacité thermoélectrique en termes de figure de mérite ZT a été calculé pour les dérivés de l’OP3. Nous avons déterminé que les molécules enchevetrées montrent un fort ZT ce qui les rend de bons candidats pour être utilisés comme système de refroidissement. Enfin, nous introduisons un modèle de circuit qui combine transport de phonons et d’électrons. Ce modèle permet d’optimiser les paramètres qui maximisent le refroidissement. Globalement, nos résultats montrent que les dérivés de l’OP3 montrent la nécessité d’avoir des structures rigides et une structure électronique compatible ce qui permet d’avoir des dispositifs de haute-performance pour des applications de refroidissement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)