Os semicondutores são materiais importantes em inaºmeras aplicações funcionais, como eletra´nicos digitais e anala³gicos, células solares, LEDs e lasers. As ligas semicondutoras são particularmente aºteis para essas aplicações, pois suas propriedades podem ser projetadas ajustando a taxa de mistura ou os ingredientes da liga. No entanto, a sa­ntese de ligas semicondutoras de maºltiplos componentes tem sido um grande desafio devido a  segregação termodina¢mica da liga em fases separadas. Recentemente, os pesquisadores da Universidade de Michigan Emmanouil (Manos) Kioupakis e Pierre FP Poudeu, ambos do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, utilizaram a entropia para estabilizar uma nova classe de materiais semicondutores, baseada nas ligas de calcogenetos de alta entropia GeSnPbSSeTe, uma descoberta que abre caminho para uma adoção mais ampla de semicondutores estabilizados com entropia em aplicações funcionais. O artigo "ligas semicondutoras de calcogenetos de alta entropia com estabilização ambia´nica de entropia e dopagem ambipolar" foi publicado recentemente na revista Quí­mica de Materiais .

A entropia, uma quantidade termodina¢mica que quantifica o grau de desordem em um material, foi explorada para sintetizar uma vasta gama de novos materiais, misturando cada componente de maneira equimolar, de ligas meta¡licas de alta entropia a cera¢micas estabilizadas por entropia. Apesar de terem uma grande entalpia de mistura, esses materiais podem surpreendentemente cristalizar em uma única estrutura de cristal, possibilitada pela grande entropia configuracional na rede. Kioupakis e Poudeu levantaram a hipa³tese de que esse princa­pio de estabilização da entropia pode ser aplicado para superar os desafios de sa­ntese de ligas semicondutoras que preferem segregar em compostos termodinamicamente mais esta¡veis. Eles testaram sua hipa³tese em uma liga de calcogeneto II-VI de 6 componentes derivada da estrutura de PbTe, misturando Ge, Sn e Pb no local do ca¡tion, e S, Se e Te no local do a¢nion.

Usando ca¡lculos de primeiros princa­pios de alto rendimento, Kioupakis descobriu a complexa interação entre entalpia e entropia nas ligas de calcogeneto de alta entropia GeSnPbSSeTe. Ele descobriu que a grande entropia configuracional dos suba¡tomos de a¢nions e ca¡tions estabiliza as ligas em soluções sãolidas monofa¡sicas de rochas e rochas a  temperatura de crescimento. Apesar de serem metaesta¡veis ​​a  temperatura ambiente, essas soluções sãolidas podem ser preservadas por um resfriamento rápido em condições ambientais. Poudeu posteriormente verificou as previsaµes 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 em estado sãolido de duas etapas, seguida por uma tempera rápida em nitrogaªnio la­quido. O poder sintetizado mostrou padraµes XRD bem definidos, correspondentes a uma estrutura pura de rochas de sal. Além disso, eles observaram uma transição de fase reversa­vel entre solução sãolida monofa¡sica e segregação multifa¡sica a partir da análise DSC e DRX dependente da temperatura, que éuma caracterí­stica fundamental da estabilização da entropia.

O que torna o calcogeneto de alta entropia intrigante são suas propriedades funcionais. Os materiais de alta entropia descobertos anteriormente são metais condutores ou cera¢micas isolantes, com uma escassez clara no regime de semicondutores. Kioupakis e Poudeu descobriram isso. o GeSnPbSSeTe equimolar éum semicondutor ambipolarmente dopa¡vel, com evidaªncias de uma diferença de banda calculada de 0,86 eV e reversão do sinal do coeficiente de Seebeck medido no dopagem do tipo p com aceitadores de Na e do tipo n com doadores de Bi. A liga também exibe uma condutividade tanãrmica ultra baixa que équase independente da temperatura. Essas fascinantes propriedades funcionais tornam o GeSnPbSSeTe um novo material promissor para ser implantado em dispositivos eletra´nicos, optoeletra´nicos, fotovoltaicos e termoelanãtricos.

A estabilização da entropia éum manãtodo geral e poderoso para realizar uma vasta gama de composições de materiais. A descoberta da estabilização da entropia em ligas de calcogeneto semicondutoras pela equipe da UM éapenas a ponta do iceberg que pode pavimentar o caminho para novas aplicações funcionais de materiais estabilizados por entropia .