Минимизация параметра порогового напряжения со

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12802 (2023) Цитировать эту статью

325 Доступов

Подробности о метриках

Целью данного исследования является изучение влияния солегированной полупроводниковой наноструктуры (Al-Cu):ZnO на электрооптические свойства структур чистого нематического жидкого кристалла, закодированного E7, и минимизация порогового напряжения чистого жидкого кристалла E7. Чтобы определить идеальные соотношения концентраций материалов для минимального порогового напряжения, мы использовали различные алгоритмы машинного обучения. В этом контексте мы сначала создали двенадцать композитных структур посредством лабораторных экспериментов с различными концентрациями и создали экспериментальный набор данных для алгоритмов машинного обучения. Затем идеальные соотношения концентраций были оценены с использованием алгоритма AdaBoost, который имеет \(R^2\) 96% в экспериментальном наборе данных. Наконец, были изготовлены дополнительные композитные структуры с расчетными соотношениями концентраций. Результаты показывают, что с помощью используемых алгоритмов машинного обучения пороговое напряжение чистого жидкого кристалла E7 было снижено на 19% за счет легирования (Al-Cu):ZnO.

Оксид цинка (ZnO) является тщательно исследованным материалом, поскольку его запрещенная зона около 3,3 эВ делает его привлекательным для оптоэлектронных приложений, таких как светоизлучающие диоды (светодиоды) и солнечные элементы. Его запрещенная зона также позволяет ему поглощать фотоны высоких энергий, что делает его пригодным для фотодетектирования и фотокатализа. Кроме того, дополнительными преимуществами этого материала являются его нетоксичная структура, химическая и термическая стабильность, высокая подвижность электронов, невысокая стоимость производства, а также уникальные электрооптические и диэлектрические характеристики при комнатной температуре1,2. По этой причине ZnO стал популярным материалом для коротковолновых оптоэлектронных устройств, транзисторов, фотодиодов и датчиков на основе жидких кристаллов (ЖК) и лазерных приложений3. Структура ZnO может быть легирована некоторыми элементами, такими как Fe4, Cu5,6, Co7, Gd8 или Al9, для улучшения ее оптических и электрических свойств. За последние несколько лет было проведено множество исследований по изучению влияния таких добавок, как (Cu-Mg)10, (Cd-Ni)11, (Al-In)12, (Fe-Al)13, ( Al-Cu)14 на электрооптические свойства ZnO, и было показано, что электрооптические свойства наноматериала ZnO улучшаются за счет совместного легирования.

Оксид цинка, легированный медью (Cu:ZnO), в последнее время привлек значительный интерес благодаря своим уникальным оптическим и электрическим свойствам. Одним из основных преимуществ Cu:ZnO является его способность улучшать оптические свойства ZnO. Внедрение ионов меди в решетку ZnO приводит к сдвигу энергии запрещенной зоны, что может привести к изменению оптических абсорбционных и эмиссионных свойств6,15. Это делает Cu:ZnO многообещающим материалом для оптоэлектронных приложений, таких как ультрафиолетовые (УФ) светодиоды и солнечные элементы. Еще одним преимуществом Cu:ZnO является его способность улучшать электрические свойства ZnO. Наличие ионов меди в решетке ZnO приводит к созданию дополнительных электронов и дырочных носителей, что увеличивает проводимость и подвижность материала. Это делает Cu:ZnO привлекательным для электронных приложений, таких как датчики и транзисторы. Легирование алюминия ZnO — это метод, используемый для улучшения электронных и оптических свойств материала. Некоторые преимущества этого процесса включают повышенную проводимость, улучшенное оптическое поглощение и улучшенные термоэлектрические характеристики16. Потенциальные применения оксидов цинка, легированных алюминием, очень перспективны в области электроники, оптоэлектроники, термоэлектрики, биомедицинских и антимикробных приложений17. В связи с этими особенностями в данном исследовании в качестве элементов, легированных ZnO для солегированных наночастиц ZnO, были выбраны Al и Cu.

В последние годы ЖК становятся все более популярными благодаря уникальному сочетанию свойств жидкости и твердого тела. Одной из основных причин популярности ЖК является их способность изменять свои электрооптические свойства в ответ на приложенное электрическое поле. Это свойство известно как электрооптический эффект и широко используется в жидкокристаллических дисплеях (ЖКД), которые являются наиболее распространенным применением ЖК. Помимо ЖК-дисплеев, ЖК-дисплеи также используются в других электронных устройствах, таких как электрооптические модуляторы, датчики и солнечные элементы18. Легирование ЖК может привести к широкому спектру преимуществ, таких как улучшение электрооптических свойств, повышенная термическая стабильность и улучшенные свойства выравнивания. Было обнаружено, что легирующие примеси, такие как оксиды металлов, улучшают электрооптические характеристики ЖК19. Оксиды металлов, используемые в качестве легирующих добавок, обычно представляют собой оксиды переходных металлов, такие как диоксид титана (\(TiO_{2}\))20, оксид цинка (ZnO)21 и титанат бария (\(BaTiO_{3}\))22. Легирование наночастиц (НЧ) ZnO в ЖК меняет ориентацию молекул и уменьшает пороговое напряжение (\(V_{th}\)), что приводит к снижению энергопотребления23,24. В частности, легирование низкими концентрациями ZnO улучшило диэлектрическую и электрооптическую чувствительность.