Исследователи из Мичиганского университета синтезировали новый класс полупроводниковых материалов на основе высокоэнтропийных соединений халькогенидов. Свойства новых соединений позволят использовать их в электронных, оптоэлектронных, фотоэлектрических и термоэлектрических устройствах. Статья ученых опубликована в журнале Chemistry of Materials.

Энтропия — это величина, которая характеризует степень беспорядка в системе. Стабилизированные энтропией материалы могут, несмотря на большую энтальпию смешения, кристаллизоваться в виде монокристалла. Авторы нового исследования предположили, что такое свойство этих материалов можно использовать, чтобы преодолеть проблемы синтеза некоторых полупроводников, которые склонны кристаллизоваться в более стабильные соединения.

На первом этапе работы ученые провели компьютерное моделирование, основанное на термодинамических принципах, и показали, что большая конфигурационная энтропия как анионной, так и катионной подрешеток халькогенидного соединения GeSnPbSSeTe стабилизирует в нем однофазную кристаллическую решетку хлорида натрия. Несмотря на то что эти твердые растворы метастабильны при комнатной температуре, их состояние можно «зафиксировать», если резко охладить от температуры синтеза до комнатной.

На втором этапе ученые проверили предсказание модели, синтезировав эквимолярный состав Ge_1/3Sn_1/3Pb_1/3S_1/3Se_1/3Te_1/3 двухступенчатой твердофазной реакцией с последующим быстрым охлаждением жидким азотом. Рентгенофазовый анализ полученного материала показал, что у него есть четкие пики, которые объясняются перестройкой кристаллической решетки в структуру хлорида натрия.

Также исследователи обнаружили, что синтезированный ими полупроводник обладает интересными физическими свойствами: шириной запрещенной зоны в 0,86 эВ, отрицательным коэффициентом Зеебека и сверхнизкой теплопроводностью, которая почти не зависит от температуры. Эти свойства делают новый класс полупроводников перспективными для использования в электронных, оптоэлектронных, фотоэлектрических и термоэлектрических устройствах.