Halfgeleiders zijn belangrijke materialen in tal van functionele toepassingen zoals digitale en analoge elektronica, zonnepanelen, LED's, en lasers. Halfgeleidende legeringen zijn bijzonder nuttig voor deze toepassingen, omdat hun eigenschappen kunnen worden aangepast door de mengverhouding of de legeringsingrediënten af ​​te stemmen. Echter, de synthese van multicomponent halfgeleiderlegeringen was een grote uitdaging vanwege de thermodynamische fasescheiding van de legering in afzonderlijke fasen. Onlangs, Universiteit van Michigan onderzoekers Emmanouil (Manos) Kioupakis en Pierre F. P. Poudeu, zowel bij de afdeling Materials Science and Engineering, entropie gebruikt om een ​​nieuwe klasse halfgeleidende materialen te stabiliseren, op basis van GeSnPbSSeTe hoge entropie chalcogenide legeringen, een ontdekking die de weg vrijmaakt voor een bredere acceptatie van entropie-gestabiliseerde halfgeleiders in functionele toepassingen. hun artikel, "Halfgeleidende chalcogenidelegeringen met hoge entropie met ambi-ionische entropiestabilisatie en ambipolaire doping" werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen .

Entropie, een thermodynamische grootheid die de mate van wanorde in een materiaal kwantificeert, is gebruikt om een ​​breed scala aan nieuwe materialen te synthetiseren door elke component op een equimolaire manier te mengen, van metaallegeringen met hoge entropie tot entropie-gestabiliseerd keramiek. Ondanks een grote mengenthalpie, deze materialen kunnen verrassend genoeg kristalliseren in een enkele kristalstructuur, mogelijk gemaakt door de grote configuratie-entropie in het rooster. Kioupakis en Poudeu veronderstelden dat dit principe van entropiestabilisatie kan worden toegepast om de synthese-uitdagingen van halfgeleidende legeringen te overwinnen die de voorkeur geven aan segregatie in thermodynamisch stabielere verbindingen. Ze testten hun hypothese op een 6-component II-VI chalcogenide-legering afgeleid van de PbTe-structuur door Ge, Sn, en Pb op de kationsite, en S, Zie, en Te op de anionsite.

Met behulp van eerste-principes berekeningen met hoge doorvoer, Kioupakis ontdekte het complexe samenspel tussen de enthalpie en entropie in GeSnPbSSeTe-legeringen met hoge entropie van chalcogenide. Hij ontdekte dat de grote configuratie-entropie van zowel anion- als kationsubroosters de legeringen stabiliseert tot eenfasige rotszout-vaste oplossingen bij de groeitemperatuur. Ondanks dat het metastabiel is bij kamertemperatuur, deze vaste oplossingen kunnen worden bewaard door snelle afkoeling onder omgevingsomstandigheden. Poudeu verifieerde later de theorievoorspellingen door de equimolaire samenstelling te synthetiseren (Ge _1/3 sn _1/3 Pb _1/3 S _1/3 Se _1/3 Te _1/3 ) door een tweestaps reactie in vaste toestand gevolgd door snel blussen in vloeibare stikstof. De gesynthetiseerde kracht vertoonde goed gedefinieerde XRD-patronen die overeenkomen met een pure steenzoutstructuur. Verder, ze observeerden omkeerbare faseovergang tussen eenfasige vaste oplossing en meerfasige segregatie van DSC-analyse en temperatuurafhankelijke XRD, wat een belangrijk kenmerk is van entropiestabilisatie.

Wat chalcogenide met hoge entropie intrigerend maakt, zijn hun functionele eigenschappen. Eerder ontdekte materialen met een hoge entropie zijn geleidende metalen of isolerende keramiek, met een duidelijk gebrek aan het halfgeleiderregime. Kioupakis en Poudeu vonden dat. de equimolaire GeSnPbSSeTe is een ambipolair doeerbare halfgeleider, met bewijs van een berekende bandafstand van 0,86 eV en tekenomkering van de gemeten Seebeck-coëfficiënt bij p-type doping met Na-acceptoren en n-type doping met Bi-donoren. De legering vertoont ook een ultralage thermische geleidbaarheid die bijna onafhankelijk is van de temperatuur. Deze fascinerende functionele eigenschappen maken van GeSnPbSSeTe een veelbelovend nieuw materiaal voor gebruik in elektronische, opto-elektronisch, fotovoltaïsch, en thermo-elektrische apparaten.

Entropiestabilisatie is een algemene en krachtige methode om een ​​breed scala aan materiaalsamenstellingen te realiseren. De ontdekking van entropiestabilisatie in halfgeleidende chalcogenidelegeringen door het team van UM is slechts het topje van de ijsberg die de weg kan effenen voor nieuwe functionele toepassingen van entropie-gestabiliseerde materialen.