Les semi-conducteurs sont des matériaux importants dans de nombreuses programs fonctionnelles telles que l'électronique numérique et analogique, les cellules solaires, les LED et les lasers. Les alliages semi-conducteurs sont particulièrement utiles pour ces programs auto leurs propriétés peuvent être élaborées en réglant le rapport de mélange ou les ingrédients de l'alliage. Cependant, la synthèse d'alliages semi-conducteurs à plusieurs composants a été un grand défi en raison de la ségrégation de period thermodynamique de l'alliage en phases séparées. Récemment, les chercheurs de l'Université du Michigan, Emmanouil (Manos) Kioupakis et Pierre FP Poudeu, tous deux du Département de la science et de l'ingénierie des matériaux, ont utilisé l'entropie pour stabiliser une nouvelle classe de matériaux semi-conducteurs, basée sur les alliages d'ourchalcogénure à haute entropie GeSnPbSSeTe, une découverte qui ouvre le moyen pour une adoption additionally substantial des semi-conducteurs stabilisés par entropie dans les apps fonctionnelles.




L'entropie, une quantité thermodynamique qui quantifie le degré de désordre dans un matériau, a été exploitée pour synthétiser une vaste gamme de nouveaux matériaux en mélangeant chaque composant de manière équimolaire, des alliages métalliques à haute entropie aux céramiques stabilisées par entropie. Malgré une grande enthalpie de mélange, ces matériaux peuvent de manière surprenante cristalliser dans une composition monocristalline, rendue doable par la grande entropie de configuration dans le réseau. Kioupakis et Poudeu ont émis l'hypothèse que ce principe de stabilisation d'entropie peut être appliqué pour surmonter les défis de synthèse des alliages semi-conducteurs qui préfèrent la ségrégation en composés thermodynamiquement additionally stables. Ils ont testé leur hypothèse sur un alliage de chalcogénure II-VI à 6 composants dérivé de la structure PbTe en mélangeant Ge, Sn et Pb sur le web site cationique, et S, Se et Te sur le web-site anionique.

Des scientifiques découvrent une nouvelle classe de matériaux semi-conducteurs stabilisés par entropie

En utilisant des calculs basés sur les premiers principes à haut débit, Kioupakis a découvert l'interaction complexe entre l'enthalpie et l'entropie dans les alliages de chalcogénure à haute entropie GeSnPbSSeTe. Il a découvert que la grande entropie configurationnelle des sous-réseaux d'anions et de cations stabilise les alliages en methods solides de sel de roche monophasé à la température de croissance. Bien que métastables à température ambiante, ces solutions solides peuvent être conservées par refroidissement rapide dans des situations ambiantes. Poudeu a ensuite vérifié les prévisions de la théorie en synthétisant la composition équimolaire (Ge1 / 3Sn1 / 3Pb1 / 3S1 / 3Se1 / 3Te1 / 3) par une réaction à l'état solide en deux étapes suivie d'une trempe rapide dans l'azote liquide. La puissance synthétisée a montré des modèles XRD bien définis correspondant à une framework de sel de roche pur. En outre, ils ont observé une transition de stage réversible entre la solution solide monophasée et la ségrégation multiphase à partir de l'analyse DSC et de la XRD dépendante de la température, qui est une caractéristique clé de la stabilisation de l'entropie.

Ce qui rend les chalcogénures à haute entropie intrigants, ce sont leurs propriétés fonctionnelles. Les matériaux à haute entropie précédemment découverts sont soit des métaux conducteurs, soit des céramiques isolantes, avec une nette pénurie dans le régime semi-conducteur. Kioupakis et Poudeu l'ont trouvé. Le GeSnPbSSeTe équimolaire est un semi-conducteur dopable ambipolaire, avec la preuve d'une bande interdite calculée de, 86 eV et l'inversion de signe du coefficient Seebeck mesuré lors d'un dopage de kind p avec des accepteurs de Na et d'un dopage de sort n avec des donneurs Bi. L'alliage présente également une conductivité thermique ultra-faible qui est presque indépendante de la température. Ces propriétés fonctionnelles fascinantes font du GeSnPbSSeTe un nouveau matériau prometteur à déployer dans les dispositifs électroniques, optoélectroniques



La stabilisation d'entropie est une méthode générale et puissante pour réaliser une vaste gamme de compositions de matériaux. La découverte de la stabilisation de l'entropie dans les alliages de chalcogénure semi-conducteurs par l'équipe de l'UM n'est que la pointe de l'iceberg qui peut ouvrir la voie à de nouvelles programs fonctionnelles de matériaux stabilisés par entropie.