近日，我院洪文晶教授、刘俊扬副教授团队在分子热电领域取得研究进展，相关成果以“Integration of Photoresponsive Single-Molecule Bithermoelectric Devices”为题在线发表于Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.5c18314）。
随着电子器件不断向微型化和高密度集成方向发展，单分子热电器件因其潜在的高单位面积能量转换效率而受到广泛关注，被视为未来分子智能芯片与片上能量管理系统的重要候选方案。实现热电器件的规模化输出，通常需要将具有相反热电极性（P型与N型）的热电单元进行串联集成。对于分子器件而言，这一目标需通过集成分别以HOMO主导输运和以LUMO主导输运的不同分子来实现。然而，在单分子尺度下，不同分子的交替选择性组装与异质集成仍面临挑战而迄今尚未在实验上得到实现。因此，若能够借助外场手段如光学调控方法，在同一种分子体系中实现热电极性的可逆调控，将为构建高密度、可编程的分子热电器件提供一种更加简洁而高效的解决思路。
在本研究中，团队选用具有光致异构特性的二噻吩乙烯（DTE）衍生物，利用扫描隧道显微镜裂结（STM-BJ）技术构筑单分子结，并在电极间引入温差以测量其热电势输出。实验结果表明，在紫外光与可见光照射下，分子可在开环与闭环构型之间实现高度可逆的切换，该构型转变不仅导致单分子电导相差两个数量级，其赛贝克系数的符号亦发生翻转，从而实现了由HOMO主导的P型热电行为与由LUMO主导的N型热电行为之间的可逆切换。理论计算进一步揭示，这一现象源于光诱导构象变化引起的分子前线能级相对于电极费米能级的重新排布。进一步结合自组装单分子层与光学掩膜技术，团队成功构筑了由8对P/N型单分子结串联组成的分子热电集成器件，在30 K的温差条件下实现了超过9000 μV的热电电压输出，验证了该策略在器件层面的可行性。鉴于分子器件本征尺寸极小，该光控策略在高集成密度条件下有望进一步放大整体热电响应，实现极致热电性能提升，为高效热电势输出以及分子尺度能量收集与制冷等应用开辟新的潜在技术路线。
该工作在厦门大学化学化工学院洪文晶/刘俊扬团队与华东理工大学邹祺教授的共同指导下完成。厦门大学2025届博士毕业生方朝（现厦门大学博士后）、硕士生王思文为论文第一作者。该研究工作得到科技部国家重点研发计划（2024YFA1208103），国家自然科学基金（92577106, 22173075, 22325303, 22250003, 2247506），福建省科学技术厅（2023H6002）以及上海市科学技术委员会（24DX1400200）等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c18314
