密歇根大学 半导体熵稳定硫系合金锗氮硼硅的晶体结构
黄色原子是阳离子(锗、锡、铅)，蓝色原子是阴离子(硫、硒、碲)
亮度的不同对应于阴离子和阳离子的不同种类
阴离子和阳离子子晶格无序产生的构型熵稳定了单相岩盐固溶体，这从第一性原理计算以及实验合成和表征中得到证明
信用:洛根·威廉姆斯，埃马努伊尔·基欧帕吉斯，邓子豪，部门
材料科学与工程学院；密歇根大学工程学 半导体是许多功能应用的重要材料，如数字和模拟电子器件、太阳能电池、发光二极管和激光器
半导体合金对这些应用特别有用，因为它们的性能可以通过调整混合比或合金成分来设计
然而，多组分半导体合金的合成一直是一个巨大的挑战，因为合金的热力学相分离成单独的相
最近，密歇根大学的研究人员埃马努伊尔(Manos) Kioupakis和皮埃尔·F
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材料科学与工程系的Poudeu利用熵来稳定一种新的半导体材料，这种材料是基于高熵硫属化物合金，这一发现为熵稳定半导体在功能应用中的广泛应用铺平了道路
他们的文章“具有双离子熵稳定和双极性掺杂的半导体高熵硫属化物合金”最近发表在《材料化学》杂志上
熵，一种量化材料无序程度的热力学量，已经被用来通过以等摩尔方式混合各种成分来合成大量新材料，从高熵金属合金到熵稳定陶瓷
尽管有很大的混合焓，这些材料可以令人惊讶地在单晶结构中结晶，这是由晶格中的大构型熵实现的
Kioupakis和Poudeu假设，这种熵稳定的原理可以用来克服半导体铝合金的合成挑战，半导体铝合金更喜欢分离成热力学更稳定的化合物
他们测试了他们的假设，在一种由六种元素组成的硫族化物合金中，锗、锡和铅混合在阳离子位置，硫、硒和碲混合在阴离子位置，从而形成了铅碲结构
利用高通量第一性原理计算，Kioupakis揭示了高熵硫族化物合金中焓和熵之间的复杂相互作用
他发现来自阴离子和阳离子子晶格的大构型熵使合金在生长温度下稳定成单相岩盐固溶体
尽管在室温下是亚稳定的，但是这些固溶体可以通过在环境条件下快速冷却来保存
Poudeu后来通过两步固态反应合成等摩尔组成(Ge1/3Sn1/3Pb1/3S1/3Se1/3Te1/3)，然后在液氮中快速猝灭，从而验证了理论预测
合成的粉末显示出与纯岩盐结构相对应的明确的XRD图案
此外，他们通过差示扫描量热分析和与温度相关的XRD观察到单相固溶体和多相偏析之间的可逆相变，这是熵稳定的关键特征
高熵硫属化物的有趣之处在于它们的功能特性
先前发现的高熵材料要么是导电金属，要么是绝缘陶瓷，在半导体领域明显缺乏
Kioupakis和Poudeu发现
等摩尔GeSnPbSSeTe是一种双极性可掺杂半导体，计算出的带隙为0
86 eV，并且在用钠受体进行p型掺杂和用铋供体进行n型掺杂时，测得的塞贝克系数出现符号反转
该合金还表现出几乎不受温度影响的超低热导率
这些迷人的功能特性使锗纳米粒子成为一种很有前途的新材料，可用于电子、光电、光伏和热电器件
熵稳定是实现大量材料成分的一种普遍而有效的方法
密歇根大学的团队在半导体硫属化物合金中发现了熵稳定化，这只是冰山一角，可以为熵稳定化材料的新功能应用铺平道路
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