发现新的半导体熵稳定材料

Gesnpbssete的晶体结构，半导体熵稳定的硫属化物合金。黄色原子是阳离子（Ge，sn，pb），蓝色原子是阴离子（s，se，te）。光的差异对应于不同的阴离子和阳离子。来自阴离子和阳离子子混凝器的疾病的配置熵稳定了单相岩石固体溶液，如从第一原理计算以及实验合成和表征中所示。

半导体是许多功能应用中的重要材料，例如数字和模拟电子，太阳能电池，LED和激光器。半导体合金对于这些应用特别有用，因为它们的性质可以通过调节混合比或合金成分来设计。然而，由于合金的热力学相分离成单独的相，多组分半导体合金的合成是一个很大的挑战。

近日，密歇根大学研究人员Emmanouil（Manos）Kioupakis和Pierre FP Poudeu，无论是在材料科学和工程系中，利用熵稳定一类新的半导体材料，基于Gesnpbssete高熵硫属化物合金，[1]发现这铺平了宽型稳定半导体在功能应用中的熵稳定半导体的方式。他们的文章“半导体高熵硫胺化物合金具有Ambi-Ionic熵稳定和Ambipolar掺杂”的最近在材料的杂志中公布。

熵，量化材料中的紊乱程度的热力学量，已经利用了通过以等摩尔方式与高熵金属合金与熵稳定的陶瓷混合来合成大量的新型材料。尽管混合焓具有大的焓，但这些材料可以在单个晶体结构中令人惊讶地结晶，其由格子中的大型配置熵能够实现。Kioupakis和Poudeu假设可以应用这种熵稳定性原理来克服优选偏析变成热力学上更稳定的化合物的半导体合金的合成挑战。它们通过在阳离子位点上混合GE，Sn和Pb来测试从PBTE结构衍生自PBTE结构的6组分II-VI硫族化合物合金的假设，以及在阴离子点上的S，SE和TE。

使用高吞吐量的第一原理计算，Kioupakis揭示了Gesnpbssete高熵硫族化合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的大型配置熵稳定在生长温度下的单相岩石固体溶液中的合金。尽管在室温下含稳定性，但这些固体溶液可以通过在环境条件下快速冷却来保存。

Poudeu以后通过通过两步固态反应合成等摩尔组合物（Ge1 / 3sn1 / 3pb1 / 3s1 / 3s1 / 3se1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1 / 3s1），然后在液氮中快速淬火来验证理论预测。合成的功率显示出与纯Rocksalt结构相对应的明确定义的XRD图案。此外，它们观察到单相固溶体与来自DSC分析和温度相关的XRD多相偏析之间的可逆相转变，这是熵稳定的关键特征。

是什么让高熵的硫属化物有趣是它们的功能性质。以前发现的高熵材料是导电金属或绝缘陶瓷，在半导体方案中清晰的缺点。Kioupakis和Poudeu发现了这一点。 Equimolar Gesnpbssete是一个Ampolary掺杂半导体，具有从计算的带隙的据证据，并在用NA受体和N型掺杂与BI施主的N型掺杂时测量的塞贝克系数的逆转。合金还表现出几乎与温度无关的超级导热率。这些迷人的功能性质使Gesnpbssete成为一种有希望的新材料，可以部署在电子，光电，光伏和热电装置中。

熵稳定是一种实现大量材料组合物的一般和强大的方法。在南瓜队的半导体硫属化物合金中发现熵稳定性的发现只是冰山的尖端，可以为熵稳定材料的新功能性应用铺平道路。

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参考：“半导体高熵硫化物合金与Ambi-Ionic熵稳定和Ambipolar兴奋剂”由Zihao邓，艾伦·奥尔弗拉，约瑟夫·科林多，Joseph Casamamo，Joan S. Lopez，Logan Williams，Ruiming Lu，Guangsha Shi，Pierre FP Poudeu和Emmanouil Kioupakis，5月26日2020年，材料化学.DOI：
10.1021 / ACS.Chemmater.0C01555.

相关会议介绍：Zihao Deng，Alan Olvera，Joseph Casamamen，Joseph Casamamo，Juan Lopez，Logan Williams，Ruiming Lu，Guangsha Shi，Pierre F. P. Pudeu和Emmanouil Kioupakis。半导体高熵硫钙合金合金的计算预测与实验发现，2019年秋季会议MRS秋季会议，EL04.01.05

本研究由国家科学基金会通过授予DMR-1561008（第一原则计算，综合和表征）和能源部，奖励#DE-SC-00018941（电子和热运输测量）。DFT计算使用国家能源研究科学计算（NERSC）中心的资源，在合同号DE-AC02-05CH11231下支持的科学用户设施的DOE办事处。