Наноионика - Nanoionics

Часть серии статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Nuvola apps ksim.png Электронный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Наноионика[1] изучение и применение явлений, свойств, эффектов, методов и механизмов процессов, связанных с быстрым ион транспорт (FIT) в твердотельном наноразмер системы. Интересные темы включают фундаментальные свойства оксида. керамика в нанометровых масштабах длины, и проводник быстрых ионов (продвинутый суперионный проводник ) / электронный проводник гетероструктуры.[2] Возможные приложения находятся в электрохимический устройства (двойной электрический слой устройств) для преобразования и хранения энергия, заряд и информация. Термин и концепция наноионики (как нового раздела науки) впервые были введены А.Л.Деспотули и В.И. Николайчик (Институт технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, Черноголовка) в январе 1992 г.[1]

Междисциплинарная научная и производственная область твердотельная ионика, занимающаяся явлениями переноса ионов в твердых телах, рассматривает наноионику как новое направление.[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 наносистемы и две принципиально разные наноионики: (I) наносистемы на основе твердых тел с низкой ионной проводимостью и (II) наносистемы на основе продвинутые суперионные проводники (например, альфа–AgI, рубидий йодид серебра -семья).[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 можно значительно улучшить (до ~ 108 раз) 2D-подобная ионная проводимость в наноструктурированных материалах со структурной когерентностью,[5] но осталось ~ 103 в разы меньше по сравнению с трехмерной ионной проводимостью современных суперионных проводников.

Классическая теория диффузии и миграции в твердых телах основана на понятии коэффициента диффузии, энергии активации. [6] и электрохимический потенциал.[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 (быстрые ионные проводники ) имеет особую общую основу: неоднородный потенциальный ландшафт в наномасштабе (например, [8]), который определяет характер реакции подсистемы подвижных ионов на импульсное или гармоническое внешнее воздействие, например слабое влияние в Диэлектрическая спектроскопия (импедансная спектроскопия).[9]

Характеристики

Являясь отраслью нанонауки и нанотехнологии, наноионика однозначно определяется своими собственными объектами (наноструктуры с FIT), предметом (свойства, явления, эффекты, механизмы процессов и приложения, связанные с FIT в наномасштабе), методом (дизайн интерфейса в наносистемах суперионных проводников), и критерий (R / L ~ 1, где R - масштаб длины структур устройства, а L - характерная длина, на которой свойства, характеристики и другие параметры, связанные с FIT, резко меняются).

В Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRS) относит запоминающие устройства с резистивной коммутацией на основе наноионики к категории «новых исследовательских устройств» («ионная память»). 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 ограничения вычислений[14] очень далеки от достигнутых в настоящее время (1010 см−2, 1010 Гц) регион. Какие логические переключатели можно использовать при интеграции в пета-масштабе, близком к нм и суб нм? Вопрос уже был предметом обсуждения,[15] где термин «наноэлектроника» [16] еще не использовался. Квантовая механика ограничивает электронные различимые конфигурации туннельным эффектом на терамасштабном уровне. Преодолеть 1012 см−2 Предел плотности битов, 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 mе при L = 1 нм, м * = 53 ме (L = 0,5 нм) и m * = 336 ме (L = 0,2 нм).[13] Будущие устройства небольшого размера могут быть наноионными, то есть основанными на быстром переносе ионов в наномасштабе, как это было впервые заявлено в.[1]

Примеры

Примеры наноионные устройства полностью твердотельные суперконденсаторы с быстрым ионным транспортом на функциональных гетеропереходах (наноионные суперконденсаторы ),[4][17] литиевые батареи и топливные элементы с наноструктурированными электродами,[18] нанопереключатели с квантованной проводимостью на основе проводников быстрых ионов[19][20] (смотрите также мемристоры и программируемая ячейка металлизации ). Они хорошо совместимы с пониженным напряжением и глубоководная наноэлектроника [21] и может найти широкое применение, например, в автономных микро источники энергии, RFID, МЭМС, умная пыль, наноморфная ячейка, прочие микро- и наносистемы, или реконфигурируемый ячейка памяти массивы.

Важным случаем быстрой ионной проводимости в твердом состоянии является поверхностный слой пространственного заряда ионных кристаллов. Такая проводимость была впервые предсказана Курт Леховец.[22] Существенная роль граничных условий в отношении ионной проводимости была впервые экспериментально обнаружена C.C. Лян[23] который обнаружил аномально высокую проводимость в LiI-Al2О3 двухфазная система. Поскольку слой пространственного заряда с определенными свойствами имеет нанометровую толщину, этот эффект напрямую связан с наноионикой (наноионика-I). В Эффект Леховца стала основой для создания множества наноструктурированных быстрые ионные проводники которые используются в современных портативных литиевые батареи и топливные элементы. В 2012 году 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 быстрым переносом ионов (обратная задача), например, для описания коллективного явления: связанный ионный транспорт и диэлектрик. -поляризационные процессы, приводящие к А. К. Йоншер «Универсальный» динамический отклик.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Despotuli, A.L .; Николаичич В.И. (1993). «Шаг к наноионике». Ионика твердого тела. 60 (4): 275–278. Дои:10.1016 / 0167-2738 (93) 90005-Н.
  2. ^ Ямагути, С. (2007). «Наноионика - настоящее и будущее». Наука и технология перспективных материалов. 8 (6): 503 (скачать бесплатно). Bibcode:2007STAdM ... 8..503Y. Дои:10.1016 / j.stam.2007.10.002.
  3. ^ Ч. С. Сунандана (2015). Введение в ионику твердого тела: феноменология и приложения (Первое изд.). CRC Press. п. 529. ISBN  9781482229707.
  4. ^ а б Despotuli, A.L .; Андреева, А.В .; Рамбабу, Б. (2005). «Наноионика современных суперионных проводников». Ионика. 11 (3–4): 306–314. Дои:10.1007 / BF02430394.
  5. ^ Garcia-Barriocanal, J .; Ривера-Кальсада А .; Варела М .; Sefrioui Z .; Иборра Э .; Леон С .; Pennycook S.J .; Сантамария1 Дж. (2008). «Колоссальная ионная проводимость на границах раздела эпитаксиального ZrO2.2: Y2О3/ SrTiO3 гетероструктуры ». Наука. 321 (5889): 676–680. Bibcode:2008Sci ... 321..676G. Дои:10.1126 / science.1156393. PMID  18669859.
  6. ^ Х. Мерер (2007). Диффузия в твердых телах (Первое изд.). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. п. 651. ISBN  978-3-540-71488-0.
  7. ^ А. Д. Макнот (1997). ИЮПАК. Сборник химической терминологии (Золотая книга) (2-е изд.). Научные публикации Блэквелла. п. 1622. ISBN  978-0-9678550-9-7.
  8. ^ 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. Дои:10.1007 / s00269-006-0117-7.
  9. ^ Despotuli, A .; Андреева А. (2015). «Максвелловский ток смещения и природа« универсального »динамического отклика Джоншера в наноионике». Ионика. 21 (2): 459–469. arXiv:1403.4818. Дои:10.1007 / s11581-014-1183-3.
  10. ^ Cavin, R.K .; Жирнов В.В. (2006). "Общие устройства абстракции для технологий обработки информации". Твердотельная электроника. 50 (4): 520–526. Bibcode:2006ССЭле..50..520С. Дои:10.1016 / j.sse.2006.03.027.
  11. ^ Серофолини, Г.Ф. (2007). «Реалистичные пределы вычислений. I. Физические пределы». Appl. Phys. А. 86 (1): 23–29. Bibcode:2007АпФА..86 ... 23С. Дои:10.1007 / s00339-006-3670-5.
  12. ^ Cerofolini, G.F .; Романо Э. (2008). «Молекулярная электроника in silico». Appl. Phys. А. 91 (2): 181–210. Bibcode:2008АпФА..91..181С. Дои:10.1007 / s00339-008-4415-4.
  13. ^ а б Жирнов, В.В .; Кэвин Р.К. (2007). «Новые исследования наноэлектронных устройств: выбор носителя информации». Транзакции ECS. 11: 17–28. CiteSeerX  10.1.1.1019.3697. Дои:10.1149/1.2778363.
  14. ^ Ллойд, С. (2000). «Абсолютные физические пределы вычислений». Природа. 406 (6799): 1047–1054. arXiv:Quant-ph / 9908043. Bibcode:2000Натура 406.1047Л. Дои:10.1038/35023282. PMID  10984064.
  15. ^ Chiabrera, A .; Di Zitti, E .; Costa, F .; Бизио, Г. (1989). «Физические пределы интеграции и обработки информации в молекулярных системах». J. Phys. D: Прил. Phys. 22 (11): 1571–1579. Bibcode:1989JPhD ... 22.1571C. Дои:10.1088/0022-3727/22/11/001.
  16. ^ Bate, R.T .; Рид М. А .; Френсли В. Р. (август 1987 г.). «Наноэлектроника (в Заключительном техническом отчете, г. http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA186969 Корпоративный Автор: TEXAS INSTRUMENTS INC DALLAS) ». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь); Внешняя ссылка в | название = (помощь)
  17. ^ Деспотули А.Л., Андреева А.В. (2007). «Дорогостоящие конденсаторы для наноэлектроники 0,5 В». Современная электроника. № 7: 24–29. Русский:«Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2007-11-05. Получено 2007-10-13.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) Английский перевод: [1]
  18. ^ Майер, Дж. (2005). «Наноионика: перенос ионов и электрохимическое хранение в замкнутых системах». Материалы Природы. 4 (11): 805–815. Bibcode:2005НатМа ... 4..805М. Дои:10.1038 / nmat1513. PMID  16379070.
  19. ^ Банно, Н .; Сакамото, Т .; Iguchi, N .; Kawaura, H .; Kaeriyama, S .; Mizuno, M .; Терабе, К .; Hasegawa, T .; Аоно, М. (2006). «Переключатель нанометра твердого электролита». Сделки IEICE по электронике. E89-C (11) (11): 1492–1498. Bibcode:2006IEITE..89.1492B. Дои:10.1093 / ietele / e89-c.11.1492.
  20. ^ Waser, Р.; Аоно, М. (2007). «Память с резистивной коммутацией на основе наноионики». Материалы Природы. 6 (11): 833–840. Bibcode:2007 Натма ... 6..833 Вт. Дои:10.1038 / nmat2023. PMID  17972938.
  21. ^ http://www.nanometer.ru/2008/02/08/nanoelektronika_5900.html
  22. ^ Леговец, К. (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов». Журнал химической физики. 21 (7): 1123–1128. Bibcode:1953ЖЧФ..21.1123Л. Дои:10.1063/1.1699148.
  23. ^ Лян, К. С. (1973). «Электропроводные характеристики твердых электролитов иодид лития-оксид алюминия». J. Electrochem. Soc. 120 (10): 1289–1292. Дои:10.1149/1.2403248.
  24. ^ http://www.nanometer.ru/2013/08/22/nanoionika_333471.html
  25. ^ Деспотули, Александр; Андреева, Александра (2013). «Структурно-динамический подход в наноионике. Моделирование ионного транспорта на блокирующем электроде». arXiv:1311.3480 [cond-mat.mtrl-sci ].
  26. ^ Despotuli, A .; Андреева А.В. (2016). «Метод однородного эффективного поля в структурно-динамическом подходе наноионики». Ионика. 22 (8): 1291–1298. Дои:10.1007 / s11581-016-1668-3.