Наноионика [1] - это исследование и применение явлений, свойств, эффектов, методов и механизмов процессов, связанных с быстрым переносом ионов (FIT) в твердотельных наноразмерных системах. Темы, представляющие интерес, включают фундаментальные свойства оксидной керамики в нанометровом масштабе и гетероструктуры проводников на быстрых ионах ( усовершенствованный суперионный проводник ) / электронных проводников . [2] Возможное применение - электрохимические устройства (устройства с двойным электрическим слоем ) для преобразования и хранения энергии., заряд и информация. Термин и концепция наноионики (как новой области науки) впервые были введены А.Л. Деспотули и В.И. Николайчиком (Институт технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, Черноголовка) в январе 1992 г. [1]
Междисциплинарная научная и промышленная область ионики твердого тела , имеющая дело с явлениями переноса ионов в твердых телах, рассматривает наноионику как новое подразделение. [3] Nanoionics пытается описать, например, диффузию и реакции в терминах, которые имеют смысл только в наномасштабе, например, в терминах неоднородного (в наномасштабе) потенциального ландшафта.
Существует два класса твердотельных ионных наносистем и две принципиально разные наноионики: (I) наносистемы на основе твердых тел с низкой ионной проводимостью и (II) наносистемы на основе передовых суперионных проводников (например, альфа- AgI , семейство йодида серебра рубидия). [4] Nanoionics-I и nanoionics-II отличаются друг от друга дизайном интерфейсов. Роль границ в наноионике-I заключается в создании условий для высоких концентраций заряженных дефектов (вакансий и межузельных атомов) в неупорядоченном слое пространственного заряда. Но в наноионике-II необходимо сохранить исходные кристаллические структуры усовершенствованных суперионных проводников с высокой ионной проводимостью на упорядоченных (согласованных по решетке) гетерограницах. Nanoionic-I может значительно увеличить (до ~ 10 8 раз) 2D-подобную ионную проводимость в наноструктурированных материалах со структурной когерентностью [5], но она остается в ~ 10 3 раза меньше, чем 3D-ионная проводимость современных суперионных проводников.
Классическая теория диффузии и миграции в твердых телах основана на понятии коэффициента диффузии, энергии активации [6] и электрохимического потенциала. [7] Это означает, что принята картина прыжкового переноса ионов в потенциальном ландшафте, где все барьеры имеют одинаковую высоту (однородный потенциальный рельеф). Несмотря на очевидное различие объектов твердотельной ионики и наноионики-I, -II, истинно новая проблема переноса быстрых ионов и накопления заряда / энергии (или преобразования) для этих объектов ( проводников быстрых ионов ) имеет особую общую основу. : неоднородный потенциальный ландшафт на наномасштабе (например, [8] ), который определяет характер реакции подсистемы подвижных ионов на импульсное или гармоническое внешнее воздействие, например, слабое влияние в диэлектрической спектроскопии (импедансной спектроскопии). [9]
Характеристики
Являясь отраслью нанонауки и нанотехнологий , наноионика однозначно определяется своими собственными объектами (наноструктуры с FIT), предметом (свойства, явления, эффекты, механизмы процессов и приложений, связанных с FIT в наномасштабе), методом (дизайн интерфейса в наносистемах суперионных проводников) и критерий (R / L ~ 1, где R - масштаб длины структур устройства, L - характерная длина, на которой резко меняются свойства, характеристики и другие параметры, связанные с FIT).
International Technology Roadmap для полупроводников (ITRS) относится наноионика на основе резистивного переключения памяти к категории «новых исследовательских устройств» ( «ионной памяти»). Область тесного пересечения наноэлектроники и наноионики получила название наноэлионики (1996). Теперь видение будущей наноэлектроники, ограниченное исключительно фундаментальными предельными ограничениями, формируется в ходе передовых исследований. [10] [11] [12] [13] Конечные физические пределы вычислений [14] очень далеко выходят за пределы достигаемой в настоящее время области (10 10 см -2 , 10 10 Гц). Какие логические переключатели можно использовать при интеграции в пета-масштабе, близком к нм и суб нм? Вопрос был предметом обсуждения уже в [15], где термин «наноэлектроника» [16] еще не использовался. Квантовая механика ограничивает электронные различимые конфигурации туннельным эффектом в тера-масштабе. Чтобы преодолеть предел плотности битов 10 12 см -2, в информационной области должны использоваться атомные и ионные конфигурации с характерным размером L <2 нм и требуются материалы с эффективной массой носителей информации m *, значительно большей, чем электронные: m * = 13 m e при L = 1 нм, m * = 53 m e (L = 0,5 нм) и m * = 336 m e (L = 0,2 нм). [13] Будущие устройства небольшого размера могут быть наноионными, то есть основанными на быстром переносе ионов на наноуровне, как это было впервые заявлено в [1].
Примеры
Примерами наноионных устройств являются полностью твердотельные суперконденсаторы с быстрым переносом ионов на функциональных гетеропереходах ( наноионные суперконденсаторы ), [4] [17] литиевые батареи и топливные элементы с наноструктурированными электродами, [18] нанопереключатели с квантованной проводимостью на основа быстрых ионных проводников [19] [20] (см. также мемристоры и программируемую ячейку металлизации ). Они хорошо совместимы с наноэлектроникой с пониженным и глубоким напряжением [21] и могут найти широкое применение, например, в автономных источниках питания , RFID , MEMS , smartdust , наноморфных ячейках , других микро- и наносистемах или реконфигурируемой памяти. массивы ячеек .
Важным случаем быстрой ионной проводимости в твердом состоянии является поверхностный слой пространственного заряда ионных кристаллов. Такое поведение впервые предсказал Курт Леговец . [22] Существенная роль граничных условий в отношении ионной проводимости была впервые экспериментально обнаружена CC Liang [23], который обнаружил аномально высокую проводимость в двухфазной системе LiI-Al 2 O 3 . Поскольку слой пространственного заряда с определенными свойствами имеет нанометровую толщину, эффект напрямую связан с наноионикой (наноионика-I). Эффект Леховека стал основой для создания множества наноструктурированных проводников быстрых ионов, которые используются в современных портативных литиевых батареях и топливных элементах . В 2012 г. в наноионике был разработан одномерный структурно-динамический подход [24] [25] [26] для подробного описания процессов образования и релаксации пространственного заряда в нерегулярном потенциальном рельефе (прямая задача) и интерпретации характеристик наносистем с быстрыми ионами. транспорт (обратная задача), например, для описания коллективного явления: связанных процессов переноса ионов и диэлектрической поляризации, которые приводят к «универсальному» динамическому отклику А.К. Йоншера .
Смотрите также
- Программируемая ячейка металлизации
Рекомендации
- ^ a b c Деспотули, Алабама; Николаичич В.И. (1993). «Шаг к наноионике». Ионика твердого тела . 60 (4): 275–278. DOI : 10.1016 / 0167-2738 (93) 90005-N .
- ^ Ямагути, С. (2007). «Наноионика - настоящее и будущее» . Наука и технология перспективных материалов . 8 (6): 503 (скачать бесплатно). Bibcode : 2007STAdM ... 8..503Y . DOI : 10.1016 / j.stam.2007.10.002 .
- ^ CS Сунандана (2015). Введение в ионику твердого тела: феноменология и приложения (Первое изд.). CRC Press. п. 529. ISBN 9781482229707.
- ^ а б Despotuli, AL; Андреева, А.В.; Рамбабу, Б. (2005). «Наноионика современных суперионных проводников». Ионика . 11 (3–4): 306–314. DOI : 10.1007 / BF02430394 . S2CID 53352333 .
- ^ Garcia-Barriocanal, J .; Ривера-Кальсада А .; Варела М .; Sefrioui Z .; Иборра Э .; Леон С .; Pennycook SJ; Сантамария1 Дж. (2008). «Колоссальная ионная проводимость на границах раздела эпитаксиальных гетероструктур ZrO 2 : Y 2 O 3 / SrTiO 3 ». Наука . 321 (5889): 676–680. Bibcode : 2008Sci ... 321..676G . DOI : 10.1126 / science.1156393 . PMID 18669859 . S2CID 32000781 .
- ^ Х. Мерер (2007). Диффузия в твердых телах (Первое изд.). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. п. 651. ISBN. 978-3-540-71488-0.
- ^ А.Д. Макнот (1997). ИЮПАК. Сборник химической терминологии (Золотая книга) (2-е изд.). Научные публикации Блэквелла. п. 1622. ISBN 978-0-9678550-9-7.
- ^ Bindi, L .; Эван М. (2006). «Характер быстрой ионной проводимости и ионные фазовые переходы в неупорядоченных кристаллах: сложный случай минералов группы пирсеит – полибазит». Phys Chem Miner . 33 (10): 677–690. Bibcode : 2006PCM .... 33..677B . DOI : 10.1007 / s00269-006-0117-7 . S2CID 95315848 .
- ^ Despotuli, A .; Андреева А. (2015). «Ток смещения Максвелла и природа« универсального »динамического отклика Джоншера в наноионике». Ионика . 21 (2): 459–469. arXiv : 1403,4818 . DOI : 10.1007 / s11581-014-1183-3 . S2CID 95593078 .
- ^ Кавин, РК; Жирнов В.В. (2006). «Абстракции универсальных устройств для технологий обработки информации». Твердотельная электроника . 50 (4): 520–526. Bibcode : 2006SSEle..50..520C . DOI : 10.1016 / j.sse.2006.03.027 .
- ^ Cerofolini, GF (2007). «Реалистичные пределы вычислений. I. Физические пределы». Прил. Phys. . 86 (1): 23–29. Bibcode : 2007ApPhA..86 ... 23С . DOI : 10.1007 / s00339-006-3670-5 . S2CID 95576872 .
- ^ Cerofolini, GF; Романо Э. (2008). «Молекулярная электроника in silico». Прил. Phys. . 91 (2): 181–210. Bibcode : 2008ApPhA..91..181C . DOI : 10.1007 / s00339-008-4415-4 . S2CID 98046999 .
- ^ а б Жирнов В.В.; Кавин РК (2007). «Новые исследования наноэлектронных устройств: выбор носителя информации». Транзакции ECS . 11 (6): 17–28. Bibcode : 2007ECSTr..11f..17Z . CiteSeerX 10.1.1.1019.3697 . DOI : 10.1149 / 1.2778363 .
- ^ Ллойд, С. (2000). «Абсолютные физические пределы вычислений». Природа . 406 (6799): 1047–1054. arXiv : квант-ph / 9908043 . Bibcode : 2000Natur.406.1047L . DOI : 10.1038 / 35023282 . PMID 10984064 . S2CID 75923 .
- ^ Chiabrera, A .; Di Zitti, E .; Costa, F .; Бизио, GM (1989). «Физические пределы интеграции и обработки информации в молекулярных системах». J. Phys. D: Прил. Phys . 22 (11): 1571–1579. Bibcode : 1989JPhD ... 22.1571C . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 22/11/001 .
- ^ Бате, RT; Рид М.А.; Френсли В. Р. (август 1987 г.). «Наноэлектроника (в Заключительном техническом отчете, http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA186969 Корпоративный автор: TEXAS INSTRUMENTS INC DALLAS)». Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь );Внешняя ссылка в|title=
( помощь ) - ^ Деспотули, А.Л., Андреева А.В. (2007). «Дорогостоящие конденсаторы для наноэлектроники 0,5 В». Современная электроника . № 7 : 24–29. Русский:«Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2007-11-05 . Проверено 13 октября 2007 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ) Английский перевод: [1]
- ^ Майер, Дж. (2005). «Наноионика: перенос ионов и электрохимическое хранение в замкнутых системах». Материалы природы . 4 (11): 805–815. Bibcode : 2005NatMa ... 4..805M . DOI : 10.1038 / nmat1513 . PMID 16379070 . S2CID 13835739 .
- ^ Банно, Н .; Сакамото, Т .; Iguchi, N .; Kawaura, H .; Kaeriyama, S .; Mizuno, M .; Терабе, К .; Hasegawa, T .; Аоно, М. (2006). «Твердоэлектролитный переключатель нанометра» . Сделки IEICE по электронике . E89-C (11) (11): 1492–1498. Bibcode : 2006IEITE..89.1492B . DOI : 10.1093 / ietele / E89-c.11.1492 .
- ^ Васер, Р .; Аоно, М. (2007). «Память с резистивной коммутацией на основе наноионики». Материалы природы . 6 (11): 833–840. Bibcode : 2007NatMa ... 6..833W . DOI : 10.1038 / nmat2023 . PMID 17972938 .
- ^ http://www.nanometer.ru/2008/02/08/nanoelektronika_5900.html
- ^ Леговец, К. (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов». Журнал химической физики . 21 (7): 1123–1128. Bibcode : 1953JChPh..21.1123L . DOI : 10.1063 / 1.1699148 .
- ^ Лян, CC (1973). «Электропроводные характеристики твердых электролитов иодид лития-оксид алюминия». J. Electrochem. Soc . 120 (10): 1289–1292. Bibcode : 1973JElS..120.1289L . DOI : 10.1149 / 1.2403248 .
- ^ http://www.nanometer.ru/2013/08/22/nanoionika_333471.html
- ^ Деспотули, Александр; Андреева, Александра (2013). «Структурно-динамический подход в наноионике. Моделирование ионного транспорта на блокирующем электроде». arXiv : 1311.3480 [ cond-mat.mtrl-sci ].
- ^ Despotuli, A .; Андреева А.В. (2016). «Метод однородного эффективного поля в структурно-динамическом подходе наноионики». Ионика . 22 (8): 1291–1298. DOI : 10.1007 / s11581-016-1668-3 . S2CID 100727969 .