coの閾値電圧パラメータの最小化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12802 (2023) この記事を引用

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この研究の目的は、共ドープ半導体ナノ構造 (Al-Cu):ZnO が E7 コード化純粋ネマチック液晶構造の電気光学特性に及ぼす影響を調査し、純粋 E7 液晶のしきい値電圧を最小限に抑えることです。最小閾値電圧に対する材料の理想的な濃度比を決定するために、さまざまな機械学習アルゴリズムを採用しました。これに関連して、私たちはまず、異なる濃度での実験室実験を通じて 12 個の複合構造を生成し、機械学習アルゴリズム用の実験データセットを作成しました。次に、AdaBoost アルゴリズムを使用して理想的な濃度比を推定しました。実験データセットでは \(R^2\) が 96% でした。最後に、推定された濃度比を有する追加の複合構造が生成されました。結果は、採用された機械学習アルゴリズムの助けにより、純粋な E7 液晶のしきい値電圧が (Al-Cu):ZnO ドーピングによって 19% 減少したことを示しています。

酸化亜鉛 (ZnO) は、バンドギャップが約 3.3 eV であるため、発光ダイオード (LED) や太陽電池などのオプトエレクトロニクス用途にとって魅力的な材料であるため、徹底的に研究されています。また、そのバンドギャップにより高エネルギーの光子を吸収できるため、光検出や光触媒に適しています。さらに、その無毒な構造、化学的および熱的安定性、高い電子移動度、安価な製造コスト、および室温での独特の電気光学特性および誘電特性が、この材料の追加の利点です1、2。このため、ZnO は短波長の光電子デバイス、トランジスタ、フォトダイオード、液晶 (LC) ベースのセンサーやレーザー用途に人気の材料となりました 3。 ZnO 構造には、Fe4、Cu5、6、Co7、Gd8、Al9 などの元素をドープして、光学的および電気的特性を向上させることができます。ここ数年、(Cu-Mg)10、(Cd-Ni)11、(Al-In)12、(Fe-Al)13、( Al-Cu)14 は ZnO の電気光学特性について研究しており、ZnO ナノ材料の電気光学特性は共ドーピングによって改善されることが示されました。

銅ドープ酸化亜鉛 (Cu:ZnO) は、その独特な光学的および電気的特性により、最近大きな関心を集めています。 Cu:ZnO の主な利点の 1 つは、ZnO の光学特性を強化できることです。 ZnO 格子に銅イオンが挿入されると、バンドギャップエネルギーが変化し、その結果、光の吸収特性と発光特性が変化する可能性があります 6,15。このため、Cu:ZnO は紫外線 (UV) LED や太陽電池などのオプトエレクトロニクス用途に有望な材料となっています。 Cu:ZnO のもう 1 つの利点は、ZnO の電気特性を強化できることです。 ZnO 格子内に銅イオンが存在すると、追加の電子および正孔キャリアが生成され、材料の導電性と移動度が向上します。このため、Cu:ZnO はセンサーやトランジスタなどの電子用途にとって魅力的です。 ZnO へのアルミニウムのドーピングは、材料の電子的および光学的特性を改善するために使用される技術です。このプロセスの利点としては、導電性の向上、光吸収の向上、熱電性能の向上などが挙げられます16。アルミニウムをドープした酸化亜鉛の潜在的な用途は、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、熱電、生物医学、抗菌用途の分野で非常に有望です17。これらの特徴により、この研究では、共ドープ ZnO ナノ粒子の ZnO にドープされる元素として Al と Cu が選択されました。

LC は、液体と固体のような特性を独自に組み合わせたものであるため、近年ますます人気が高まっています。 LC の人気の主な理由の 1 つは、印加された電場に応じて電気光学特性を変化させる能力です。この特性は電気光学効果として知られており、LC の最も一般的な用途である液晶ディスプレイ (LCD) で広く使用されています。 LCD に加えて、LC は電気光学変調器、センサー、太陽電池などの他の電子デバイスにも使用されています18。 LC のドーピングは、電気光学特性の向上、熱安定性の向上、配向特性の向上など、幅広い利点をもたらします。金属酸化物などのドーパントは、LC の電気光学特性を向上させることがわかっています 19。ドーパントとして使用される金属酸化物は、通常、二酸化チタン (\(TiO_{2}\))20、酸化亜鉛 (ZnO)21、チタン酸バリウム (\(BaTiO_{3}\))22 などの遷移金属酸化物です。 LC に ZnO ナノ粒子 (NP) をドーピングすると、分子の配向が変化し、しきい値電圧 (\(V_{th}\)) が低下し、消費電力の低下につながります 23,24。特に、低濃度の ZnO をドーピングすると、誘電体と電気光学の応答性が向上しました。

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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