Semicondutores são materiais importantes em inúmeras aplicações funcionais, como eletrônica digital e analógica, células solares, LEDs, e lasers. Ligas semicondutoras são particularmente úteis para essas aplicações, uma vez que suas propriedades podem ser projetadas ajustando a proporção de mistura ou os ingredientes da liga. Contudo, a síntese de ligas semicondutoras multicomponentes tem sido um grande desafio devido à segregação de fase termodinâmica da liga em fases separadas. Recentemente, Pesquisadores da Universidade de Michigan, Emmanouil (Manos) Kioupakis e Pierre F. P. Poudeu, tanto no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, utilizou entropia para estabilizar uma nova classe de materiais semicondutores, com base em ligas de calcogeneto de alta entropia GeSnPbSSeTe, uma descoberta que abre caminho para uma adoção mais ampla de semicondutores estabilizados por entropia em aplicações funcionais. Seu artigo, "Ligas semicondutoras de calcogeneto de alta entropia com estabilização de entropia ambi-iônica e dopagem ambipolar" foi publicado recentemente na revista Química de Materiais .

Entropia, uma quantidade termodinâmica que quantifica o grau de desordem em um material, foi explorado para sintetizar uma vasta gama de novos materiais, misturando cada componente de forma equimolar, de ligas metálicas de alta entropia a cerâmicas estabilizadas por entropia. Apesar de ter uma grande entalpia de mistura, esses materiais podem se cristalizar surpreendentemente em uma única estrutura de cristal, habilitado pela grande entropia configuracional na rede. Kioupakis e Poudeu levantaram a hipótese de que este princípio de estabilização de entropia pode ser aplicado para superar os desafios de síntese de ligas semicondutoras que preferem a segregação em compostos termodinamicamente mais estáveis. Eles testaram sua hipótese em uma liga de calcogeneto de 6 componentes II-VI derivada da estrutura PbTe misturando Ge, Sn, e Pb no local do cátion, e S, Se, e Te no local do ânion.

Usando cálculos de primeiros princípios de alta capacidade, Kioupakis descobriu a complexa interação entre a entalpia e a entropia em ligas de calcogeneto de alta entropia GeSnPbSSeTe. Ele descobriu que a grande entropia configuracional das sub-redes de ânions e cátions estabiliza as ligas em soluções sólidas de sal de rocha monofásicas na temperatura de crescimento. Apesar de ser metaestável à temperatura ambiente, essas soluções sólidas podem ser preservadas por resfriamento rápido em condições ambientais. Poudeu mais tarde verificou as previsões da teoria sintetizando a composição equimolar (Ge _1/3 Sn _1/3 Pb _1/3 S _1/3 Se _1/3 Te _1/3 ) por uma reação de estado sólido de duas etapas seguida por resfriamento rápido em nitrogênio líquido. A potência sintetizada mostrou padrões de XRD bem definidos correspondendo a uma estrutura de sal rochoso puro. Além disso, eles observaram a transição de fase reversível entre a solução sólida monofásica e a segregação de múltiplas fases da análise DSC e XRD dependente da temperatura, que é uma característica chave da estabilização da entropia.

O que torna o calcogeneto de alta entropia intrigante são suas propriedades funcionais. Os materiais de alta entropia previamente descobertos são metais condutores ou cerâmicas isolantes, com uma clara escassez no regime de semicondutores. Kioupakis e Poudeu descobriram isso. o GeSnPbSSeTe equimolar é um semicondutor dopolar ambipolar, com evidência de um intervalo de banda calculado de 0,86 eV e reversão de sinal do coeficiente de Seebeck medido após dopagem do tipo p com aceitadores de Na e dopagem do tipo n com doadores Bi. A liga também exibe uma condutividade térmica ultrabaixa que é quase independente da temperatura. Essas propriedades funcionais fascinantes tornam GeSnPbSSeTe um novo material promissor para ser implantado na área eletrônica, optoeletrônico, fotovoltaico, e dispositivos termoelétricos.

A estabilização de entropia é um método geral e poderoso para realizar uma vasta gama de composições de materiais. A descoberta da estabilização de entropia em ligas de calcogeneto semicondutor pela equipe da UM é apenas a ponta do iceberg que pode abrir caminho para novas aplicações funcionais de materiais estabilizados por entropia.