Les semi-conducteurs sont des matériaux importants dans de nombreuses applications fonctionnelles telles que l'électronique numérique et analogique, cellules solaires, LED, et lasers. Les alliages semi-conducteurs sont particulièrement utiles pour ces applications car leurs propriétés peuvent être modifiées en ajustant le rapport de mélange ou les ingrédients de l'alliage. Cependant, la synthèse d'alliages semi-conducteurs à plusieurs composants a été un grand défi en raison de la ségrégation de phase thermodynamique de l'alliage en phases séparées. Récemment, Les chercheurs de l'Université du Michigan Emmanouil (Manos) Kioupakis et Pierre F. P. Poudeu, à la fois dans le département Science et Génie des Matériaux, utilisé l'entropie pour stabiliser une nouvelle classe de matériaux semi-conducteurs, à base d'alliages chalcogénures à haute entropie GeSnPbSSeTe, une découverte qui ouvre la voie à une adoption plus large des semi-conducteurs stabilisés par l'entropie dans les applications fonctionnelles. Leur article, "Alliages de chalcogénure à haute entropie semi-conducteurs avec stabilisation d'entropie ambi-ionique et dopage ambipolaire" a récemment été publié dans la revue Chimie des Matériaux .

Entropie, une grandeur thermodynamique qui quantifie le degré de désordre dans un matériau, a été exploité pour synthétiser une vaste gamme de nouveaux matériaux en mélangeant chaque composant de manière équimolaire, des alliages métalliques à haute entropie aux céramiques à entropie stabilisée. Malgré une grande enthalpie de mélange, ces matériaux peuvent cristalliser de manière surprenante en une structure monocristalline, permis par la grande entropie configurationnelle dans le réseau. Kioupakis et Poudeu ont émis l'hypothèse que ce principe de stabilisation de l'entropie peut être appliqué pour surmonter les défis de synthèse des alliages semi-conducteurs qui préfèrent la ségrégation en composés thermodynamiquement plus stables. Ils ont testé leur hypothèse sur un alliage de chalcogénure II-VI à 6 composants dérivé de la structure PbTe en mélangeant Ge, Sn, et Pb sur le site cationique, et S, Se, et Te sur le site anionique.

En utilisant des calculs de premiers principes à haut débit, Kioupakis a découvert l'interaction complexe entre l'enthalpie et l'entropie dans les alliages de chalcogénures à haute entropie GeSnPbSSeTe. Il a découvert que la grande entropie configurationnelle des sous-réseaux d'anions et de cations stabilise les alliages en solutions solides de sel gemme monophasique à la température de croissance. Bien qu'étant métastable à température ambiante, ces solutions solides peuvent être conservées par refroidissement rapide dans les conditions ambiantes. Poudeu a vérifié plus tard les prédictions de la théorie en synthétisant la composition équimolaire (Ge 1/3 Sn 1/3 Pb 1/3 S 1/3 Se 1/3 Te 1/3 ) par une réaction à l'état solide en deux étapes suivie d'une trempe rapide dans l'azote liquide. La puissance synthétisée a montré des motifs XRD bien définis correspondant à une structure de sel gemme pur. Par ailleurs, ils ont observé une transition de phase réversible entre une solution solide monophasique et une ségrégation multiphasique à partir de l'analyse DSC et de la XRD dépendante de la température, qui est une caractéristique clé de la stabilisation de l'entropie.

Ce qui rend les chalcogénures à haute entropie intrigantes, ce sont leurs propriétés fonctionnelles. Les matériaux à haute entropie découverts précédemment sont soit des métaux conducteurs, soit des céramiques isolantes, avec une nette pénurie dans le régime des semi-conducteurs. Kioupakis et Poudeu l'ont trouvé. le GeSnPbSSeTe équimolaire est un semi-conducteur ambipolairement dopable, avec des preuves d'une bande interdite calculée de 0,86 eV et d'une inversion de signe du coefficient Seebeck mesuré lors du dopage de type p avec des accepteurs Na et du dopage de type n avec des donneurs Bi. L'alliage présente également une conductivité thermique ultra-faible qui est presque indépendante de la température. Ces propriétés fonctionnelles fascinantes font du GeSnPbSSeTe un nouveau matériau prometteur à déployer en électronique, optoélectronique, photovoltaïque, et appareils thermoélectriques.

La stabilisation de l'entropie est une méthode générale et puissante pour réaliser une vaste gamme de compositions de matériaux. La découverte de la stabilisation de l'entropie dans les alliages semi-conducteurs de chalcogénure par l'équipe de l'UM n'est que la pointe de l'iceberg qui peut ouvrir la voie à de nouvelles applications fonctionnelles des matériaux à entropie stabilisée.