科学家发现了一类半导体熵稳定新材料

半导体是数字和模拟电子、太阳能电池、LED和激光等众多应用中的重要材料。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例或合金成分来设计。然而,由于合金的热力学相分离成独立的相,多组分半导体合金的合成一直是一个很大的挑战。最近密歇根大学材料科学与工程系的研究人员利用熵稳定一类新的半导体材料,该材料基于GeSnPbSSeTe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。他们的研究成果近日发表在《材料化学》杂志上。

科学家发现新型半导体熵稳定材料
半导体熵稳定的硫系合金GeSnPbSSeTe的晶体结构。黄色原子是阳离子(Ge,Sn,Pb),蓝色原子是阴离子(S,Se,Te)。亮度的差异对应于阴离子和阳离子的不同种类。从第一性原理计算以及实验合成和表征可以看出,阴离子和阳离子亚晶格结构熵使单相岩盐固溶体稳定。

熵是一个量化材料无序程度的热力学量,已被用来通过以等摩尔的方式混合每种成分来合成大量新型材料,从高熵金属合金到熵稳定陶瓷。尽管具有很大的混合焓,但是由于晶格中的大构型熵,这些材料仍可以令人惊奇地以单晶结构结晶。Kioupakis和Poudeu推测,这种熵稳定原理可以应用于克服半导体合金的合成难题,后者更倾向于分离成热力学更稳定的化合物。他们通过在阳离子位上混合Ge、Sn和Pb,以及在阴离子位混合S、Se和Te来验证他们的假设,该合金由PbTe结构衍生而来。

利用高通量第一原理计算,Kioupakis揭示了GeSnPbSSeTe高熵硫系合金中焓和熵之间复杂的相互作用。他发现,阴离子和阳离子亚晶格的大构型熵,可在生长温度下将合金稳定为单相岩盐固溶体。尽管他们在室温下是亚稳态的,但这些固溶体仍可以通过在环境条件下快速冷却来保存。

通过两步固态反应,然后在液氮中快速淬火,形成等摩尔组成的化合物(Ge1/Sn1/3Pb1/3S1/3Se1/3Te1/3)。合成的粉末显示出与纯岩盐结构相对应的清晰的XRD图谱。此外,他们还通过DSC分析和温度依赖性XRD观察到单相固溶体和多相偏析之间的可逆相变,这是熵稳定的一个关键特征。

高熵硫系化合物有趣的地方在于它们的功能性质。先前发现的高熵材料要么是导电金属,要么是绝缘陶瓷,明显缺乏半导体区。Kioupakis和Poudeu发现了。等摩尔GeSnPbSSeTe是一种双极性可掺杂半导体材料,有证据表明,通过带Na受体的p型掺杂和带Bi供体的n型掺杂,计算出的带隙为0.86 eV,并且测得的塞贝克系数发生符号反转。该合金还表现出几乎与温度无关的超低导热率。这些迷人的功能特性使GeSnPbSeTe成为一种很有前途的新材料,可应用于电子、光电、光伏和热电器件中。

熵稳定是一种实现多种材料成分的通用而强大的方法。UM团队在半导体硫系合金中发现的熵稳定现象只是冰山一角,这为熵稳定材料的新功能应用铺平道路。

这项研究得到了美国国家科学基金会及能源部资助。

上一篇:

下一篇:


标签