I semiconduttori sono materiali importanti in numerose applicazioni funzionali come l'elettronica digitale e analogica, celle solari, LED, e laser. Le leghe semiconduttrici sono particolarmente utili per queste applicazioni poiché le loro proprietà possono essere progettate regolando il rapporto di miscelazione o gli ingredienti della lega. Però, la sintesi di leghe semiconduttrici multicomponente è stata una grande sfida a causa della segregazione di fase termodinamica della lega in fasi separate. Recentemente, I ricercatori dell'Università del Michigan Emmanouil (Manos) Kioupakis e Pierre F. P. Poudeu, sia nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, utilizzato l'entropia per stabilizzare una nuova classe di materiali semiconduttori, a base di leghe di calcogenuri ad alta entropia GeSnPbSSeTe, una scoperta che apre la strada a una più ampia adozione di semiconduttori stabilizzati entropia nelle applicazioni funzionali. Il loro articolo, "Leghe semiconduttive di calcogenuri ad alta entropia con stabilizzazione dell'entropia ambi-ionica e drogaggio ambipolare" è stato recentemente pubblicato sulla rivista Chimica dei materiali .

entropia, una grandezza termodinamica che quantifica il grado di disordine in un materiale, è stato sfruttato per sintetizzare una vasta gamma di nuovi materiali mescolando ogni componente in modo equimolare, dalle leghe metalliche ad alta entropia alle ceramiche stabilizzate entropia. Pur avendo una grande entalpia di miscelazione, questi materiali possono sorprendentemente cristallizzare in una struttura monocristallina, abilitato dalla grande entropia configurazionale nel reticolo. Kioupakis e Poudeu hanno ipotizzato che questo principio di stabilizzazione dell'entropia possa essere applicato per superare le sfide di sintesi delle leghe semiconduttrici che preferiscono la segregazione in composti termodinamicamente più stabili. Hanno testato la loro ipotesi su una lega di calcogenuri II-VI a 6 componenti derivata dalla struttura del PbTe mescolando Ge, Sn, e Pb sul sito cationico, e S, Se, e Te sul sito anionico.

Utilizzando calcoli primi principi ad alta produttività, Kioupakis ha scoperto la complessa interazione tra l'entalpia e l'entropia nelle leghe di calcogenuri ad alta entropia GeSnPbSSeTe. Ha scoperto che la grande entropia configurazionale dei sottoreticoli anionici e cationici stabilizza le leghe in soluzioni solide di salgemma monofase alla temperatura di crescita. Nonostante sia metastabile a temperatura ambiente, queste soluzioni solide possono essere conservate mediante raffreddamento rapido in condizioni ambientali. Poudeu in seguito verificò le previsioni della teoria sintetizzando la composizione equimolare (Ge _1/3 Sn _1/3 Pb _1/3 S _1/3 Vedi _1/3 Te _1/3 ) mediante una reazione allo stato solido in due fasi seguita da rapida tempra in azoto liquido. Il potere sintetizzato ha mostrato modelli XRD ben definiti corrispondenti a una struttura di puro salgemma. Per di più, hanno osservato la transizione di fase reversibile tra la soluzione solida monofase e la segregazione multifase dall'analisi DSC e dall'XRD dipendente dalla temperatura, che è una caratteristica chiave della stabilizzazione dell'entropia.

Ciò che rende intrigante il calcogenuro ad alta entropia sono le sue proprietà funzionali. I materiali ad alta entropia precedentemente scoperti sono metalli conduttori o ceramiche isolanti, con una chiara carenza nel regime dei semiconduttori. Kioupakis e Poudeu l'hanno scoperto. il GeSnPbSSeTe equimolare è un semiconduttore ambipolare drogabile, con evidenza da un band gap calcolato di 0,86 eV e inversione di segno del coefficiente di Seebeck misurato al drogaggio di tipo p con accettori di Na e drogaggio di tipo n con donatori di Bi. La lega mostra anche una conduttività termica ultrabassa che è quasi indipendente dalla temperatura. Queste affascinanti proprietà funzionali rendono GeSnPbSSeTe un nuovo materiale promettente da impiegare in elettronica, optoelettronico, fotovoltaico, e dispositivi termoelettrici.

La stabilizzazione dell'entropia è un metodo generale e potente per realizzare una vasta gamma di composizioni di materiali. La scoperta della stabilizzazione dell'entropia nelle leghe calcogenuri semiconduttive da parte del team di UM è solo la punta dell'iceberg che può aprire la strada a nuove applicazioni funzionali dei materiali stabilizzati entropia.