Co의 임계 전압 매개변수 최소화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12802(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구의 목적은 공동 도핑된 반도체 나노구조(Al-Cu):ZnO가 E7 코딩된 순수 네마틱 액정 구조의 전기광학 특성에 미치는 영향을 조사하고 순수 E7 액정의 문턱 전압을 최소화하는 것입니다. 최소 임계 전압에 대한 재료의 이상적인 농도 비율을 결정하기 위해 다양한 기계 학습 알고리즘을 사용했습니다. 이러한 맥락에서 우리는 먼저 다양한 농도의 실험실 실험을 통해 12개의 복합 구조를 생성하고 기계 학습 알고리즘을 위한 실험 데이터 세트를 만들었습니다. 다음으로, 실험 데이터 세트에서 \(R^2\)가 96%인 AdaBoost 알고리즘을 사용하여 이상적인 농도 비율을 추정했습니다. 마지막으로 추정된 농도비를 갖는 추가적인 복합구조물이 생성되었다. 결과는 사용된 기계 학습 알고리즘의 도움으로 순수 E7 액정의 임계 전압이 (Al-Cu):ZnO 도핑을 통해 19% 감소되었음을 보여줍니다.

산화아연(ZnO)은 약 3.3eV의 밴드갭으로 인해 발광 다이오드(LED) 및 태양전지와 같은 광전자 응용 분야에 매력적이기 때문에 철저하게 연구된 재료입니다. 또한 밴드갭을 통해 높은 에너지의 광자를 흡수할 수 있어 광검출 및 광촉매에 적합합니다. 또한 무독성 구조, 화학적 및 열적 안정성, 높은 전자 이동성, 저렴한 생산 비용, 실온에서의 독특한 전기 광학 및 유전 특성이 이 재료의 추가적인 장점입니다1,2. 이러한 이유로 ZnO는 단파장 광전자 장치, 트랜지스터, 포토 다이오드 및 액정(LC) 기반 센서 및 레이저 응용 분야에서 널리 사용되는 재료가 되었습니다3. ZnO 구조는 Fe4, Cu5,6, Co7, Gd8 또는 Al9와 같은 일부 원소로 도핑되어 광학적 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 지난 몇 년 동안 (Cu-Mg)10, (Cd-Ni)11, (Al-In)12, (Fe-Al)13, (Cu-Mg)10, (Cd-Ni)11, ( Al-Cu)14는 ZnO의 전기광학 특성에 대해 연구하였고, Co-doping을 통해 ZnO 나노물질의 전기광학 특성이 향상됨을 보여주었다.

구리 도핑된 산화아연(Cu:ZnO)은 독특한 광학적 및 전기적 특성으로 인해 최근 상당한 관심을 끌고 있습니다. Cu:ZnO의 주요 장점 중 하나는 ZnO의 광학적 특성을 향상시키는 능력입니다. ZnO 격자에 구리 이온을 삽입하면 밴드갭 에너지가 이동하여 광 흡수 및 방출 특성이 변경될 수 있습니다6,15. 이로 인해 Cu:ZnO는 자외선(UV) LED 및 태양 전지와 같은 광전자 응용 분야에 유망한 재료가 됩니다. Cu:ZnO의 또 다른 장점은 ZnO의 전기적 특성을 향상시키는 능력입니다. ZnO 격자에 구리 이온이 존재하면 추가 전자와 정공 캐리어가 생성되어 재료의 전도성과 이동성이 증가합니다. 이로 인해 Cu:ZnO는 센서 및 트랜지스터와 같은 전자 응용 분야에 매력적입니다. 알루미늄을 ZnO에 도핑하는 것은 재료의 전자적, 광학적 특성을 향상시키는 데 사용되는 기술입니다. 이 공정의 일부 장점으로는 전도성 증가, 광 흡수 개선, 열전 성능 향상 등이 있습니다16. 알루미늄이 도핑된 산화아연의 잠재적 응용 분야는 전자, 광전자공학, 열전공학, 생물의학 및 항균 응용 분야에서 매우 유망합니다17. 이러한 특징으로 인해 본 연구에서는 공동 도핑된 ZnO 나노입자를 위해 ZnO에 도핑할 원소로 Al과 Cu를 선택했습니다.

LC는 액체와 고체 같은 특성의 독특한 조합으로 인해 최근 몇 년 동안 점점 더 인기를 얻고 있습니다. LC가 인기를 끄는 주요 이유 중 하나는 인가된 전기장에 반응하여 전기 광학 특성을 변경할 수 있는 능력입니다. 이러한 특성은 전기광학 효과(electro-optic effect)로 알려져 있으며, LC의 가장 일반적인 응용 분야인 액정 디스플레이(LCD)에 널리 사용됩니다. LCD 외에도 LC는 전기 광학 변조기, 센서 및 태양 전지와 같은 다른 전자 장치에도 사용되었습니다. LC의 도핑은 향상된 전기 광학 특성, 향상된 열 안정성 및 향상된 정렬 특성과 같은 광범위한 이점을 가져올 수 있습니다. 금속 산화물과 같은 도펀트는 LC의 전기 광학 특성을 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다19. 도펀트로 사용되는 금속 산화물은 일반적으로 이산화티타늄(\(TiO_{2}\))20, 산화아연(ZnO)21 및 티탄산바륨(\(BaTiO_{3}\))22과 같은 전이 금속 산화물입니다. LC에 ZnO 나노입자(NP)를 도핑하면 분자 방향이 바뀌고 임계 전압(\(V_{th}\))이 감소하여 전력 소비가 낮아집니다. 특히, 저농도의 ZnO 도핑은 유전체 및 전기광학 응답성을 향상시켰다.

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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