Forskere opdager en ny klasse af halvledende entropistabiliserede materialer

Halvledere er vigtige materialer i mange funktionelle applikationer såsom digital og analog elektronik, solceller, Lysdioder, og lasere. Halvledende legeringer er særlig nyttige til disse applikationer, da deres egenskaber kan konstrueres ved at indstille blandingsforholdet eller legeringsingredienserne. Imidlertid, syntesen af ​​multikomponent halvlederlegeringer har været en stor udfordring på grund af termodynamisk fasesegregation af legeringen i separate faser. For nylig, University of Michigan forskere Emmanouil (Manos) Kioupakis og Pierre F. P. Poudeu, både i afdelingen for materialevidenskab og teknik, brugte entropi til at stabilisere en ny klasse af halvledende materialer, baseret på GeSnPbSSeTe chalcogenidlegeringer med høj entropi, en opdagelse, der baner vejen for bredere anvendelse af entropistabiliserede halvledere i funktionelle applikationer. Deres artikel, "Halvledende højentropiske chalcogenidlegeringer med ambi-ionisk entropistabilisering og ambipolar doping" blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Kemi af materialer .

Entropi, en termodynamisk størrelse, der kvantificerer graden af ​​uorden i et materiale, er blevet udnyttet til at syntetisere en lang række nye materialer ved at blande hver komponent på en ækvimolær måde, fra højentropimetalliske legeringer til entropistabiliseret keramik. På trods af en stor blandingsentalpi, disse materialer kan overraskende krystallisere i en enkelt krystalstruktur, muliggjort af den store konfigurationsentropi i gitteret. Kioupakis og Poudeu antog, at dette princip om entropistabilisering kan anvendes for at overvinde synteseudfordringerne ved halvledende legeringer, der foretrækker at adskille sig til termodynamisk mere stabile forbindelser. De testede deres hypotese på en 6-komponent II-VI chalcogenidlegering afledt af PbTe-strukturen ved at blande Ge, Sn, og Pb på kationstedet, og S, Se, og Te på anionstedet.

Ved hjælp af beregninger med første principper med høj gennemstrømning, Kioupakis afdækkede det komplekse samspil mellem entalpien og entropien i GeSnPbSSeTe højentropi-chalcogenidlegeringer. Han fandt ud af, at den store konfigurationsentropi fra både anion- og kation-undergitter stabiliserer legeringerne til enfasede rocksalt faste opløsninger ved væksttemperaturen. På trods af at den var metastabil ved stuetemperatur, disse faste løsninger kan bevares ved hurtig afkøling under omgivelsesbetingelser. Poudeu verificerede senere teoriforudsigelserne ved at syntetisere den ækvimolære sammensætning (Ge _1/3 Sn _1/3 Pb _1/3 S _1/3 Se _1/3 Te _1/3 ) ved en totrins faststofreaktion efterfulgt af hurtig bratkøling i flydende nitrogen. Den syntetiserede kraft viste veldefinerede XRD-mønstre svarende til en ren rocksaltstruktur. Desuden, de observerede reversibel faseovergang mellem enfaset fast opløsning og flerfaseadskillelse fra DSC-analyse og temperaturafhængig XRD, hvilket er et centralt træk ved entropistabilisering.

Det, der gør chalcogenid med høj entropi spændende, er deres funktionelle egenskaber. Tidligere opdagede materialer med høj entropi er enten ledende metaller eller isolerende keramik, med en klar mangel på det halvledende regime. Det fandt Kioupakis og Poudeu. den ækvimolære GeSnPbSSeTe er en ambipolar dopbar halvleder, med beviser fra et beregnet båndgab på 0,86 eV og tegnomvendelse af den målte Seebeck-koefficient ved p-type doping med Na-acceptorer og n-type-doping med Bi-donorer. Legeringen udviser også en ultralav varmeledningsevne, der er næsten uafhængig af temperaturen. Disse fascinerende funktionelle egenskaber gør GeSnPbSSeTe til et lovende nyt materiale, der skal implementeres elektronisk, optoelektronisk, solcelleanlæg, og termoelektriske apparater.

Entropistabilisering er en generel og kraftfuld metode til at realisere en lang række materialesammensætninger. Teamets opdagelse af entropistabilisering i halvledende chalcogenidlegeringer er kun toppen af ​​isbjerget, der kan bane vejen for nye funktionelle anvendelser af entropistabiliserede materialer.