ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПЛЕНКАХ, ВЫРАЩЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ЛЭНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ

STUDIES OF THERMOELECTRIC PHENOMENA IN FILMS GROWN USING LANGMUIR-BLODGETT TECHNOLOGY

Shatskikh Ivan Sergeevich

Student, Department of Agroengineering, Mechatronic and Radioelectronic Systems, I.A. Bunin Yelets State University,

Russia, Yelets

Sidorov Alexandr Valentinovich

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Physics and Mathematics, associate professor, I.A. Bunin Yelets State University,

Russia, Yelets

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены термоэлектрические свойства тонких пленок Ленгмюра–Блоджетт и потенциал их применения для гибких микрогенераторов. Показано, что молекулярный дизайн, слоистая архитектура и управление межфазными границами позволяют повысить коэффициент Зеебека, снизить теплопроводность и улучшить добротность материала. Особое внимание уделено органическим, гибридным и MOF-системам как перспективной платформе для термоэлектрического преобразования в электронике для датчиков тепла.

ABSTRACT

The paper considers the thermoelectric properties of Langmuir–Blodgett thin films and the potential of their application for flexible microgenerators. It is shown that molecular design, layered architecture and control of interfacial boundaries can increase the Seebeck coefficient, reduce thermal conductivity and improve the quality of the material. Special attention is paid to organic, hybrid and MOF systems as a promising platform for thermoelectric conversion in electronics for heat sensors.

Ключевые слова: термоэлектрические пленки, Ленгмюр–Блоджетт, коэффициент Зеебека.

Keywords: thermoelectric films, Langmuir–Blodgett, Seebeck coefficient.

Как известно термоэлектрические материалы превращают тепловой градиент в электрическое напряжение за счет эффекта Зеебека и описываются безразмерной добротностью , где  - коэффициент Зеебека,  - электропроводность, а  - теплопроводность. В тонких пленках становится возможным целенаправленно управлять дефектами, текстурой и межфазными границами, что открывает путь к повышению эффективности термоэлектриков [1].

Особый интерес вызывают органические и гибридные тонкие пленки, которые уступают классическим соединениям на основе Bi₂Te₃ по максимальному , но выигрывают по гибкости, технологии нанесения и низкой теплопроводности. В этом смысле показательна работа по тонким пленкам металло‑органических каркасов (MOF), где легирование TCNQ превратило изолирующий каркас Cu₃(BTC)₂ в проводящую пленку с положительным коэффициентом Зеебека около 375 мкВ/К при комнатной температуре и теплопроводностью порядка 0,27 В·м⁻¹·К⁻¹. Хотя полученное  заметно ниже лучших неорганических материалов, исследование демонстрирует возможность настройки термоэлектрических свойств за счет молекулярного дизайна и управления структурой на наноуровне [2].

Технология пленок Ленгмюра–Блоджетт (ЛБ) основана на переносе упорядоченного монослоя с границы воздух/вода на твердую подложку при контролируемом поверхностном давлении. Каждый цикл погружения‑вывода добавляет строго один монослой, что позволяет с высокой точностью задавать толщину, плотность упаковки и ориентацию молекул, формируя анизотропные ламеллярные структуры от единиц до десятков нанометров. Такая архитектурная управляемость особенно важна для термоэлектричества, где желательно сочетать высокую электропроводность вдоль предпочтительного направления с пониженной теплопроводностью за счет интенсивного рассеяния фононов на межслойных границах [3].

В работе [4] прямые измерения термоэлектрических свойств ЛБ‑пленок выполнены для органических многослойных структур на основе цинк‑тетрафенилпорфирина (ZnTPP). В этой работе показано, что переход от одиночного слоя к многослойной ЛБ‑пленке, где молекулы ориентированы параллельно электродам и взаимодействуют через π–π‑стэкинг, увеличивает термоэдс перпендикулярно плоскости пленки примерно в десять раз и приводит к коэффициенту Зеебека порядка −65 мкВ/К. Одновременно сканирующая термальная микроскопия выявила примерно семикратное снижение теплопроводности при увеличении числа слоев, что совместно повышает «силовой фактор» и потенциальный  π–π‑стекованных органических ЛБ‑пленок.

Обзоры по ЛБ‑пленкам показывают, что эта методика уже успешно применяется для формирования проводящих, магнитных, сенсорных и электрохимически активных ультратонких структур на основе TTF/TCNQ, металлодитиолатов, полимеров и гибридных наноматериалов. Учитывая продемонстрированные результаты для ZnTPP‑ЛБ‑пленок и MOF‑пленок, перспективными направлениями выглядят ЛБ‑структуры из органических термоэлектрических полимеров (PEDOT, политиофены), а также гибридные ЛБ‑пленки, содержащие наночастицы Bi₂Te₃ или проводящие MOF с контролируемой ориентацией. Сочетание молекулярного дизайна, самосборки на границе фаз и управляемой слоистой архитектуры делает ЛБ‑пленки многообещающей платформой для гибких термоэлектрических микрогенераторов и датчиков теплового потока [1, 2].

Список литературы:

1. Wang X., Sangtarash S., Lamantia A. et al. Thermoelectric properties of organic thin films enhanced by π–π stacking // JPhys Energy. – 2022. – Vol. 4, iss. 2. P. 1232-1245.
2. Erickson K. J., Léonard F., Stavila V. et al. Thin Film Thermoelectric Metal–Organic Framework with High Seebeck Coefficient and Low Thermal Conductivity // Advanced Materials. – 2015. – Vol. 27, iss. 22. – P. 3453–3459.
3. Talham D. R. Conducting and Magnetic Langmuir−Blodgett Films // Chemical Reviews. – 2004. – Vol. 104, iss. 11. – P. 5479–5502.
4. Gu W., Li Q., Wang R., Zhang L., Liu Z., Jiao T. Recent Progress in the Applications of Langmuir–Blodgett Film Technology // Nanomaterials. – 2024. – Vol. 14, iss. 12. – P. 1039.