Los semiconductores son materiales importantes en numerosas aplicaciones funcionales, como electrónica digital y analógica, células solares, LED y láseres. Las aleaciones semiconductoras son particularmente útiles para estas aplicaciones ya que sus propiedades se pueden diseñar ajustando la proporción de mezcla o los ingredientes de la aleación. Sin embargo,, la síntesis de aleaciones de semiconductores multicomponentes ha sido un gran desafío debido a la segregación de fase termodinámica de la aleación en fases separadas. Recientemente, los investigadores de la Universidad de Michigan Emmanouil Manos Kioupakis y Pierre FP Poudeu, ambos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, utilizaronentropía para estabilizar una nueva clase de materiales semiconductores, basados en aleaciones de nuestro calcogenuro de alta entropía GeSnPbSSeTe, un descubrimiento que allana el camino para una adopción más amplia de semiconductores estabilizados en entropía en aplicaciones funcionales.
La entropía, una cantidad termodinámica que cuantifica el grado de desorden en un material, se ha aprovechado para sintetizar una amplia gama de materiales nuevos mezclando cada componente de forma equimolar, desde aleaciones metálicas de alta entropía hasta cerámicas estabilizadas por entropía.una gran entalpía de mezcla, estos materiales pueden cristalizar sorprendentemente en una estructura monocristalina, gracias a 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 prefierena 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 aniónsitio.
Utilizando cálculos de primeros principios de alto rendimiento, Kioupakis descubrió la interacción compleja entre la entalpía y la entropía en las aleaciones de calcogenuro de alta entropía GeSnPbSSeTe. Descubrió que la gran entropía configuracional de las subrrejillas de aniones y cationes estabiliza las aleaciones en un sólido de sal de roca de una sola fase.soluciones a la temperatura de crecimiento. A pesar de ser metaestables a temperatura ambiente, estas soluciones sólidas se pueden conservar mediante un enfriamiento rápido en condiciones ambientales. Poudeu luego verificó las predicciones de la teoría sintetizando la composición equimolar Ge1 / 3Sn1 / 3Pb1 / 3S1 / 3Se1 / 3Te1 /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 correspondientes a una estructura de sal de roca pura. Además, observaron una transición de fase reversible entre la solución sólida de una sola fase y múltiples-segregación de fase del análisis DSC y XRD dependiente de la temperatura, que es una característica clave de la estabilización de la entropíaion.
Lo que hace que el calcogenuro de alta entropía sea intrigante son sus propiedades funcionales. Los materiales de alta entropía previamente descubiertos son metales conductores o cerámicas aislantes, con una clara escasez en el régimen semiconductor. Kioupakis y Poudeu encontraron que. El GeSnPbSSeTe equimolar es un dopable ambipolarsemiconductor, con evidencia de una banda prohibida calculada de 0.86 eV y una inversión de signo del coeficiente de Seebeck medido al dopaje de tipo p con aceptores de Na y dopaje de tipo n con donantes de Bi. La aleación también exhibe una conductividad térmica ultrabaja que es casi independientetemperatura. Estas fascinantes propiedades funcionales hacen de GeSnPbSSeTe un nuevo material prometedor para ser implementado en dispositivos electrónicos, optoelectrónicos, fotovoltaicos y termoeléctricos.
La estabilización de 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 calcogenuros semiconductores por el equipo de UM es solo la punta del iceberg que puede allanar el camino para nuevas aplicaciones funcionales demateriales estabilizados por entropía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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