Los semiconductores son materiales importantes en numerosas aplicaciones funcionales como la electrónica digital y analógica, células solares, LEDs, y láseres. Las aleaciones semiconductoras son particularmente útiles para estas aplicaciones, ya que sus propiedades pueden modificarse ajustando la proporción de mezcla o los ingredientes de la aleación. Sin embargo, La síntesis de aleaciones de semiconductores multicomponente ha sido un gran desafío debido a la segregación de fases termodinámicas de la aleación en fases separadas. Recientemente, Los investigadores de la Universidad de Michigan, Emmanouil (Manos) Kioupakis y Pierre F. P. Poudeu, tanto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, utilizó la entropía para estabilizar una nueva clase de materiales semiconductores, basado en aleaciones de calcogenuro de alta entropía GeSnPbSSeTe, un descubrimiento que allana el camino para una adopción más amplia de semiconductores estabilizados por entropía en aplicaciones funcionales. Su artículo, Recientemente se publicó en la revista "Aleaciones semiconductoras de calcogenuro de alta entropía con estabilización de entropía ambi-iónica y dopaje ambipolar" Química de Materiales .

Entropía una cantidad termodinámica que cuantifica el grado de desorden en un material, se ha aprovechado para sintetizar una amplia gama de materiales novedosos mezclando cada componente de forma equimolar, desde aleaciones metálicas de alta entropía hasta cerámicas estabilizadas en entropía. A pesar de tener una gran entalpía de mezcla, estos materiales pueden cristalizar sorprendentemente en una estructura monocristalina, habilitado por la gran entropía configuracional en la red. Kioupakis y Poudeu plantearon la hipótesis de que este principio de estabilización de la entropía se puede aplicar para superar los desafíos de síntesis de las aleaciones semiconductoras que prefieren la segregación en compuestos termodinámicamente más estables. Probaron su hipótesis en una aleación de calcogenuro II-VI de 6 componentes derivada de la estructura de PbTe mezclando Ge, Sn, y Pb en el sitio del catión, y S, Se, y Te en el sitio del anión.

Utilizando cálculos de primeros principios de alto rendimiento, Kioupakis descubrió la compleja interacción entre la entalpía y la entropía en las aleaciones de calcogenuro de alta entropía GeSnPbSSeTe. Encontró que la gran entropía configuracional de las subredes de aniones y cationes estabiliza las aleaciones en soluciones sólidas de sal de roca de una sola fase a la temperatura de crecimiento. A pesar de ser metaestable a temperatura ambiente, estas soluciones sólidas pueden conservarse mediante enfriamiento rápido en condiciones ambientales. Poudeu luego verificó las predicciones de la teoría sintetizando la composición equimolar (Ge _1/3 Sn _1/3 Pb _1/3 S _1/3 Se _1/3 Te _1/3 ) mediante una reacción en estado sólido de dos pasos seguida de un enfriamiento rápido en nitrógeno líquido. La energía sintetizada mostró patrones XRD bien definidos que corresponden a una estructura pura de sal de roca. Es más, observaron una transición de fase reversible entre la solución sólida de una sola fase y la segregación de múltiples fases del análisis DSC y la XRD dependiente de la temperatura, que es una característica clave de la estabilización de la entropía.

Lo que hace que los calcogenuros de alta entropía sean intrigantes son sus propiedades funcionales. Los materiales de alta entropía descubiertos anteriormente son metales conductores o cerámicas aislantes, con una clara escasez en el régimen de semiconductores. Kioupakis y Poudeu lo encontraron. el GeSnPbSSeTe equimolar es un semiconductor dopable ambipolarmente, con evidencia de una banda prohibida calculada de 0,86 eV y la inversión del signo del coeficiente de Seebeck medido tras el dopaje de tipo p con aceptores de Na y el dopaje de tipo n con donantes de Bi. La aleación también exhibe una conductividad térmica ultrabaja que es casi independiente de la temperatura. Estas fascinantes propiedades funcionales hacen de GeSnPbSSeTe un nuevo material prometedor para ser implementado en electrónica, optoelectrónico fotovoltaica y dispositivos termoeléctricos.

La estabilización de la entropía es un método general y poderoso para realizar una amplia gama de composiciones de materiales. El descubrimiento de la estabilización de entropía en aleaciones de calcogenuro semiconductores por parte del equipo de la UM es solo la punta del iceberg que puede allanar el camino para nuevas aplicaciones funcionales de materiales estabilizados por entropía.