Halvledare är viktiga material i många funktionella tillämpningar som digital och analog elektronik, solceller, lysdioder, och lasrar. Halvledande legeringar är särskilt användbara för dessa applikationer eftersom deras egenskaper kan konstrueras genom att justera blandningsförhållandet eller legeringsingredienserna. Dock, syntesen av flerkomponenthalvledarlegeringar har varit en stor utmaning på grund av termodynamisk fassegregering av legeringen i separata faser. Nyligen, University of Michigan forskare Emmanouil (Manos) Kioupakis och Pierre F. P. Poudeu, både på avdelningen för materialvetenskap och teknik, använde entropi för att stabilisera en ny klass av halvledande material, baserat på GeSnPbSSeTe högentropi kalkogenidlegeringar, en upptäckt som banar väg för en bredare användning av entropistabiliserade halvledare i funktionella applikationer. Deras artikel, "Halvledande kalkogenidlegeringar med hög entropi med ambijonisk entropistabilisering och ambipolär dopning" publicerades nyligen i tidskriften Materialkemi .

Entropi, en termodynamisk storhet som kvantifierar graden av oordning i ett material, har utnyttjats för att syntetisera ett stort antal nya material genom att blanda varje komponent på ett ekvimolärt sätt, från högentropi metallegeringar till entropistabiliserad keramik. Trots att de har en stor entalpi för blandning, dessa material kan överraskande nog kristallisera i en enda kristallstruktur, möjliggörs av den stora konfigurationsentropin i gittret. Kioupakis och Poudeu antog att denna princip om entropistabilisering kan tillämpas för att övervinna syntesutmaningarna med halvledande legeringar som föredrar att segregera till termodynamiskt mer stabila föreningar. De testade sin hypotes på en 6-komponent II-VI kalkogenidlegering härledd från PbTe-strukturen genom att blanda Ge, Sn, och Pb på katjonplatsen, och S, Se, och Te på anjonstället.

Genom att använda beräkningar av första principerna med hög genomströmning, Kioupakis avslöjade det komplexa samspelet mellan entalpi och entropi i GeSnPbSSeTe högentropi kalkogenidlegeringar. Han fann att den stora konfigurationsentropin från både anjon- och katjonsubgitter stabiliserar legeringarna till enfasiga bergsaltlösningar vid tillväxttemperaturen. Trots att den är metastabil vid rumstemperatur, dessa fasta lösningar kan bevaras genom snabb kylning under omgivande förhållanden. Poudeu verifierade senare teoriförutsägelserna genom att syntetisera den ekvimolära sammansättningen (Ge _1/3 Sn _1/3 Pb _1/3 S _1/3 Se _1/3 Te _1/3 ) genom en tvåstegsreaktion i fast tillstånd följt av snabb släckning i flytande kväve. Den syntetiserade kraften visade väldefinierade XRD-mönster motsvarande en ren stensaltstruktur. Vidare, de observerade reversibel fasövergång mellan enfas fast lösning och flerfassegregering från DSC-analys och temperaturberoende XRD, vilket är en nyckelfunktion för entropistabilisering.

Det som gör kalkogenid med hög entropi intressant är deras funktionella egenskaper. Tidigare upptäckta högentropimaterial är antingen ledande metaller eller isolerande keramik, med en tydlig brist på halvledande regimen. Kioupakis och Poudeu fann det. den ekvimolära GeSnPbSSeTe är en ambipolärt dopbar halvledare, med bevis från ett beräknat bandgap på 0,86 eV och teckenomkastning av den uppmätta Seebeck-koefficienten vid dopning av p-typ med Na-acceptorer och n-typ-dopning med Bi-donatorer. Legeringen uppvisar också en ultralåg värmeledningsförmåga som är nästan oberoende av temperatur. Dessa fascinerande funktionella egenskaper gör GeSnPbSSeTe till ett lovande nytt material som ska distribueras i elektroniska, optoelektroniska, solceller, och termoelektriska anordningar.

Entropistabilisering är en allmän och kraftfull metod för att realisera ett brett spektrum av materialsammansättningar. Upptäckten av entropistabilisering i halvledande kalkogenidlegeringar av teamet vid UM är bara toppen av isberget som kan bana väg för nya funktionella tillämpningar av entropistabiliserade material.