Minimizzazione del parametro di tensione di soglia del co

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12802 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio mira a esaminare l'influenza della nanostruttura del semiconduttore co-drogato (Al-Cu): ZnO sulle proprietà elettro-ottiche delle strutture di cristalli liquidi nematici puri codificati E7 e ridurre al minimo la tensione di soglia del cristallo liquido puro E7. Per determinare i rapporti di concentrazione ideali dei materiali per la tensione di soglia minima, abbiamo utilizzato diversi algoritmi di apprendimento automatico. In questo contesto, abbiamo prima prodotto dodici strutture composite attraverso la sperimentazione di laboratorio con diverse concentrazioni e creato un set di dati sperimentale per gli algoritmi di apprendimento automatico. Successivamente, i rapporti di concentrazione ideali sono stati stimati utilizzando l'algoritmo AdaBoost, che ha un \(R^2\) del 96% sul set di dati sperimentali. Infine, sono state prodotte ulteriori strutture composite aventi i rapporti di concentrazione stimati. I risultati mostrano che, con l'aiuto degli algoritmi di apprendimento automatico utilizzati, la tensione di soglia del cristallo liquido E7 puro è stata ridotta del 19% tramite il drogaggio (Al-Cu):ZnO.

L'ossido di zinco (ZnO) è un materiale studiato in modo esauriente poiché il suo gap di banda di circa 3,3 eV lo rende attraente per applicazioni optoelettroniche come diodi emettitori di luce (LED) e celle solari. Il suo bandgap gli consente inoltre di assorbire fotoni ad alta energia, rendendolo adatto al fotorilevamento e alla fotocatalisi. Inoltre, la struttura non tossica, la stabilità chimica e termica, l'elevata mobilità degli elettroni, i costi di produzione economici e le caratteristiche elettrico-ottiche e dielettriche uniche a temperatura ambiente sono gli ulteriori vantaggi di questo materiale1,2. Per questo motivo, lo ZnO è diventato un materiale popolare per dispositivi optoelettronici, transistor, fotodiodi e sensori basati su cristalli liquidi (LC) e applicazioni laser3. La struttura ZnO può essere drogata con alcuni elementi come Fe4, Cu5,6, Co7, Gd8 o Al9 per migliorarne le proprietà ottiche ed elettriche. Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi per esaminare l’effetto di co-droganti come (Cu-Mg)10, (Cd-Ni)11, (Al-In)12, (Fe-Al)13, ( Al-Cu)14 sulle proprietà elettro-ottiche di ZnO ed è stato dimostrato che le proprietà elettro-ottiche del nanomateriale ZnO vengono migliorate attraverso il co-drogaggio.

L'ossido di zinco drogato con rame (Cu:ZnO) ha recentemente attirato un notevole interesse grazie alle sue proprietà ottiche ed elettriche uniche. Uno dei principali vantaggi di Cu:ZnO è la sua capacità di migliorare le proprietà ottiche di ZnO. L'inserimento di ioni rame nel reticolo ZnO porta ad uno spostamento dell'energia bandgap, che può comportare un cambiamento nelle proprietà ottiche di assorbimento ed emissione6,15. Ciò rende Cu:ZnO un materiale promettente per applicazioni optoelettroniche come i LED ultravioletti (UV) e le celle solari. Un altro vantaggio di Cu:ZnO è la sua capacità di migliorare le proprietà elettriche di ZnO. La presenza di ioni rame nel reticolo ZnO determina la creazione di ulteriori elettroni e portatori di lacune, che aumentano la conduttività e la mobilità del materiale. Ciò rende Cu:ZnO attraente per applicazioni elettroniche come sensori e transistor. Il drogaggio dell'alluminio in ZnO è una tecnica utilizzata per migliorare le proprietà elettroniche ed ottiche del materiale. Alcuni vantaggi di questo processo includono una maggiore conduttività, un migliore assorbimento ottico e migliori prestazioni termoelettriche16. Le potenziali applicazioni degli ossidi di zinco drogati con alluminio sono molto promettenti nel campo dell'elettronica, dell'optoelettronica, della termoelettrica, delle applicazioni biomediche e antimicrobiche17. A causa di queste caratteristiche, in questo studio Al e Cu sono stati scelti come elementi da drogare con ZnO per la nanoparticella ZnO co-drogata.

Le LC sono diventate sempre più popolari negli ultimi anni grazie alla loro combinazione unica di proprietà liquide e solide. Uno dei motivi principali della popolarità delle LC è la loro capacità di modificare le loro proprietà elettro-ottiche in risposta a un campo elettrico applicato. Questa proprietà è nota come effetto elettroottico ed è ampiamente utilizzata nei display a cristalli liquidi (LCD), che sono l'applicazione più comune degli LC. Oltre agli LCD, gli LC sono stati utilizzati anche in altri dispositivi elettronici come modulatori elettro-ottici, sensori e celle solari18. Il drogaggio delle LC può portare a un'ampia gamma di vantaggi, come proprietà elettro-ottiche migliorate, maggiore stabilità termica e maggiori proprietà di allineamento. È stato scoperto che droganti come gli ossidi metallici migliorano le caratteristiche elettro-ottiche delle LC19. Gli ossidi metallici utilizzati come droganti sono tipicamente ossidi di metalli di transizione come il biossido di titanio (\(TiO_{2}\))20, l'ossido di zinco (ZnO)21 e il titanato di bario (\(BaTiO_{3}\))22. Il drogaggio delle nanoparticelle di ZnO (NP) in LC modifica l'orientamento molecolare e diminuisce la tensione di soglia (\(V_{th}\)), con conseguente riduzione del consumo energetico23,24. In particolare, il drogaggio con basse concentrazioni di ZnO ha migliorato la reattività dielettrica ed elettro-ottica.

99%, Merck) and urea (\(NH_{2}CONH_{2}\)) as fuel were used for ZnO synthesis. High purity Aluminum Nitrate (\(Al(NO_{3})_{3}\), >99%, Merck) and Copper(II) Nitrate (\(Cu(NO_{3})_{2}\), >99%, Merck) were used for the co-doped samples. All items were weighed using stoichiometric proportions. In a quartz beaker, 10 ml of distillated water was used to dissolve nitrates. Urea was put in the beaker and the mixture was stirred for 1 hour at 80 \(^{\circ }\)C using a magnetic stirrer. The top of the beaker was then removed and the mixture was stirred to evaporate excess water at the same temperature until a gel-like consistency was attained36. Following the evaporation of the water, a flame combustion reaction concluded the synthesis process. The product was heated to 800 \(^{\circ }\)C in a muffle furnace in order to eliminate organic impurities in the form of fly ash, and change unstable crystalline phases into stable phases37. The obtained materials were stored in a desiccator to prevent interaction with atmospheric gases. Thus, four NP containing different ratios of Al and Cu were synthesized. The list of these NPs is provided in Table 1./p>

V_{th}\)./p>

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