Minimização do parâmetro de tensão limite do co

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12802 (2023) Citar este artigo

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Este estudo tem como objetivo examinar a influência da nanoestrutura semicondutora co-dopada (Al-Cu):ZnO nas propriedades eletro-ópticas das estruturas de cristal líquido nemático puro codificadas em E7 e minimizar a tensão limite do cristal líquido E7 puro. Para determinar as taxas de concentração ideais dos materiais para a tensão limite mínima, empregamos diferentes algoritmos de aprendizado de máquina. Nesse contexto, primeiro produzimos doze estruturas compostas por meio de experimentação em laboratório com diferentes concentrações e criamos um conjunto de dados experimentais para os algoritmos de aprendizado de máquina. Em seguida, as razões de concentração ideais foram estimadas usando o algoritmo AdaBoost, que possui um \(R^2\) de 96% no conjunto de dados experimentais. Finalmente, foram produzidas estruturas compósitas adicionais com as taxas de concentração estimadas. Os resultados mostram que, com a ajuda dos algoritmos de aprendizado de máquina empregados, a tensão limite do cristal líquido E7 puro foi reduzida em 19% através da dopagem (Al-Cu):ZnO.

O óxido de zinco (ZnO) é um material exaustivamente pesquisado, pois seu bandgap de cerca de 3,3 eV o torna atraente para aplicações optoeletrônicas, como diodos emissores de luz (LEDs) e células solares. Seu bandgap também permite absorver fótons com altas energias, tornando-o adequado para fotodetecção e fotocatálise. Além disso, sua estrutura atóxica, estabilidade química e térmica, alta mobilidade eletrônica, baixo custo de produção e características eletro-ópticas e dielétricas únicas à temperatura ambiente são vantagens adicionais deste material . Por esta razão, o ZnO tornou-se um material popular para dispositivos optoeletrônicos de comprimento de onda curto, transistores, fotodiodos e sensores baseados em cristal líquido (LC) e aplicações de laser3. A estrutura do ZnO pode ser dopada com alguns elementos como Fe4, Cu5,6, Co7, Gd8 ou Al9 para melhorar suas propriedades ópticas e elétricas. Nos últimos anos, muitos estudos foram realizados para examinar o efeito de co-dopantes como (Cu-Mg)10, (Cd-Ni)11, (Al-In)12, (Fe-Al)13, ( Al-Cu)14 nas propriedades eletro-ópticas do ZnO, e foi demonstrado que as propriedades eletro-ópticas do nanomaterial ZnO são melhoradas através da co-dopagem.

O óxido de zinco dopado com cobre (Cu:ZnO) tem atraído recentemente um interesse significativo devido às suas propriedades ópticas e elétricas únicas. Uma das principais vantagens do Cu:ZnO é a sua capacidade de melhorar as propriedades ópticas do ZnO. A inserção de íons de cobre na rede de ZnO leva a uma mudança na energia do bandgap, o que pode resultar em uma mudança nas propriedades de absorção e emissão óptica . Isso torna o Cu:ZnO um material promissor para aplicações optoeletrônicas, como LEDs ultravioleta (UV) e células solares. Outra vantagem do Cu:ZnO é a sua capacidade de melhorar as propriedades elétricas do ZnO. A presença de íons de cobre na rede de ZnO resulta na criação de elétrons adicionais e portadores de buracos, o que aumenta a condutividade e a mobilidade do material. Isso torna o Cu:ZnO atraente para aplicações eletrônicas, como sensores e transistores. A dopagem do alumínio em ZnO é uma técnica utilizada para melhorar as propriedades eletrônicas e ópticas do material. Algumas vantagens deste processo incluem aumento da condutividade, melhor absorção óptica e melhor desempenho termoelétrico . As aplicações potenciais de óxidos de zinco dopados com alumínio são muito promissoras no campo da eletrônica, optoeletrônica, termoelétrica, aplicações biomédicas e antimicrobianas . Devido a essas características, neste estudo Al e Cu foram escolhidos como os elementos a serem dopados com ZnO para a nanopartícula de ZnO co-dopada.

Os LCs tornaram-se cada vez mais populares nos últimos anos devido à sua combinação única de propriedades líquidas e sólidas. Uma das principais razões para a popularidade dos LCs é a sua capacidade de alterar suas propriedades eletro-ópticas em resposta a um campo elétrico aplicado. Esta propriedade é conhecida como efeito eletro-óptico e é amplamente utilizada em monitores de cristal líquido (LCDs), que são a aplicação mais comum de LCs. Além dos LCDs, os LCs também têm sido utilizados em outros dispositivos eletrônicos, como moduladores eletro-ópticos, sensores e células solares18. A dopagem de LCs pode levar a uma ampla gama de benefícios, como propriedades eletro-ópticas aprimoradas, estabilidade térmica aprimorada e propriedades de alinhamento aumentadas. Descobriu-se que dopantes como óxidos metálicos melhoram as características eletro-ópticas dos LCs . Os óxidos metálicos usados ​​como dopantes são tipicamente óxidos de metais de transição, como dióxido de titânio (\(TiO_{2}\))20, óxido de zinco (ZnO)21 e titanato de bário (\(BaTiO_{3}\))22. As nanopartículas de ZnO dopantes (NPs) em LC alteram a orientação molecular e diminuem a tensão limite (\(V_{th}\)), o que leva a menor consumo de energia . Particularmente, a dopagem com baixas concentrações de ZnO melhorou a capacidade de resposta dielétrica e eletro-óptica.