Minimisation du paramètre de tension de seuil du co

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12802 (2023) Citer cet article

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Cette étude vise à examiner l'influence de la nanostructure semi-conductrice co-dopée (Al-Cu): ZnO sur les propriétés électro-optiques des structures de cristaux liquides nématiques purs codées E7 et à minimiser la tension de seuil des cristaux liquides E7 purs. Pour déterminer les rapports de concentration idéaux des matériaux pour la tension de seuil minimale, nous avons utilisé différents algorithmes d'apprentissage automatique. Dans ce contexte, nous avons d’abord produit douze structures composites grâce à des expérimentations en laboratoire avec différentes concentrations et créé un ensemble de données expérimentales pour les algorithmes d’apprentissage automatique. Ensuite, les rapports de concentration idéaux ont été estimés à l’aide de l’algorithme AdaBoost, qui a un \(R^2\) de 96 % sur l’ensemble de données expérimentales. Enfin, des structures composites supplémentaires ayant les rapports de concentration estimés ont été produites. Les résultats montrent qu'avec l'aide des algorithmes d'apprentissage automatique utilisés, la tension de seuil des cristaux liquides E7 purs a été réduite de 19 % via le dopage (Al-Cu) : ZnO.

L'oxyde de zinc (ZnO) est un matériau étudié de manière exhaustive car sa bande interdite d'environ 3,3 eV le rend attrayant pour les applications optoélectroniques telles que les diodes électroluminescentes (DEL) et les cellules solaires. Sa bande interdite lui permet également d'absorber des photons à haute énergie, ce qui le rend adapté à la photodétection et à la photocatalyse. De plus, sa structure non toxique, sa stabilité chimique et thermique, sa mobilité électronique élevée, son coût de production peu coûteux et ses caractéristiques électro-optiques et diélectriques uniques à température ambiante sont les avantages supplémentaires de ce matériau1,2. Pour cette raison, le ZnO est devenu un matériau populaire pour les dispositifs optoélectroniques à courte longueur d'onde, les transistors, les photodiodes, les capteurs à cristaux liquides (LC) et les applications laser3. La structure ZnO peut être dopée avec certains éléments tels que Fe4, Cu5,6, Co7, Gd8 ou Al9 pour améliorer ses propriétés optiques et électriques. Au cours des dernières années, de nombreuses études ont été menées pour examiner l'effet des codopants tels que (Cu-Mg)10, (Cd-Ni)11, (Al-In)12, (Fe-Al)13, ( Al-Cu)14 sur les propriétés électro-optiques du ZnO, et il a été démontré que les propriétés électro-optiques du nanomatériau ZnO sont améliorées grâce au co-dopage.

L'oxyde de zinc dopé au cuivre (Cu:ZnO) a récemment suscité un intérêt considérable en raison de ses propriétés optiques et électriques uniques. L’un des principaux avantages du Cu:ZnO est sa capacité à améliorer les propriétés optiques du ZnO. L'insertion d'ions cuivre dans le réseau ZnO entraîne un déplacement de l'énergie de la bande interdite, ce qui peut entraîner une modification des propriétés d'absorption et d'émission optiques6,15. Cela fait du Cu:ZnO un matériau prometteur pour les applications optoélectroniques telles que les LED ultraviolettes (UV) et les cellules solaires. Un autre avantage du Cu:ZnO est sa capacité à améliorer les propriétés électriques du ZnO. La présence d'ions cuivre dans le réseau ZnO entraîne la création d'électrons et de porteurs de trous supplémentaires, ce qui augmente la conductivité et la mobilité du matériau. Cela rend le Cu:ZnO attrayant pour les applications électroniques telles que les capteurs et les transistors. Le dopage de l'Aluminium en ZnO est une technique utilisée pour améliorer les propriétés électroniques et optiques du matériau. Certains avantages de ce procédé incluent une conductivité accrue, une absorption optique améliorée et des performances thermoélectriques améliorées16. Les applications potentielles des oxydes de zinc dopés à l’aluminium sont très prometteuses dans les domaines de l’électronique, de l’optoélectronique, de la thermoélectrique, des applications biomédicales et antimicrobiennes17. En raison de ces caractéristiques, dans cette étude, Al et Cu ont été choisis comme éléments à doper en ZnO pour la nanoparticule de ZnO co-dopée.

Les LC sont devenues de plus en plus populaires ces dernières années en raison de leur combinaison unique de propriétés liquides et solides. L’une des principales raisons de la popularité des LC est leur capacité à modifier leurs propriétés électro-optiques en réponse à un champ électrique appliqué. Cette propriété est connue sous le nom d'effet électro-optique et est largement utilisée dans les écrans à cristaux liquides (LCD), qui constituent l'application la plus courante des LC. Outre les écrans LCD, les LC ont également été utilisés dans d'autres appareils électroniques tels que les modulateurs électro-optiques, les capteurs et les cellules solaires18. Le dopage des LC peut conduire à un large éventail d'avantages, tels que des propriétés électro-optiques améliorées, une stabilité thermique améliorée et des propriétés d'alignement accrues. Il a été constaté que les dopants tels que les oxydes métalliques améliorent les caractéristiques électro-optiques des LCs19. Les oxydes métalliques utilisés comme dopants sont généralement des oxydes de métaux de transition tels que le dioxyde de titane (\(TiO_{2}\))20, l'oxyde de zinc (ZnO)21 et le titanate de baryum (\(BaTiO_{3}\))22. Le dopage des nanoparticules de ZnO (NP) en LC modifie l'orientation moléculaire et diminue la tension de seuil (\(V_{th}\)), ce qui entraîne une consommation d'énergie inférieure23,24. En particulier, le dopage avec de faibles concentrations de ZnO a amélioré la réactivité diélectrique et électro-optique.