Nanoionics

Введение

Наноионика - это изучение и применение явлений, свойств, эффектов, методов и механизмов процессов, связанных с быстрым транспортом ионов (FIT) во всех твердотельных системах наномасштаба. Темы, представляющие интерес, включают фундаментальные свойства оксидных керамик в нанометровых масштабах длины и гетероструктуры быстрых ионных проводников (продвинутых сверхионных проводников) / электронных проводников. Потенциальные применения - в электрохимических устройствах (электрических устройствах с двумя слоями) для преобразования и хранения энергии, заряда и информации. Термин и концепция наноионики (как новой отрасли науки) были впервые введены А. Л. Деспотули и В. И. Николайчиком (Институт микроэлектронных технологий и материалов высокой чистоты, Российская академия наук, Черноголовка) в январе 1992 года. Наноионика пытается описать, например, диффузию и реакции, в терминах, которые имеют смысл только в наноуровне, например, в терминах неравномерного (в наноуровне) потенциального ландшафта. Существует два класса ионных наносистем твердого состояния и две принципиально разные наноионики: (I) наносистемы, основанные на твердых веществах с низкой ионной проводимостью, и (II) наносистемы, основанные на передовых сверхионных проводниках (например, альфа-АГИ, рубидий серебряный йодид семейства). Наноионика I и наноионика II отличаются друг от друга по конструкции интерфейсов. Роль границ в наноионике I заключается в создании условий для высоких концентраций заряженных дефектов (вакансий и интерстициалов) в беспорядочном слое космического заряда. Но в наноионике II необходимо сохранить оригинальные высокоионные проводящие кристаллические структуры продвинутых сверхионных проводников на упорядоченных (сравненных решетками) гетерограницах. Наноионный I может значительно повысить (до ~ 108 раз) 2D-подобную ионную проводимость в наноструктурных материалах со структурной когерентностью, но она остается ~ 103 раза меньше по сравнению с 3D-ионной проводимостью передовых сверхионных проводников. Классическая теория диффузии и миграции в твердых веществах основана на понятиях коэффициента диффузии, энергии активации и электрохимического потенциала. Это означает, что принята картина скачущего ионного транспорта в потенциальном ландшафте, где все барьеры имеют одинаковую высоту (одинаковый потенциальный рельеф). Несмотря на очевидную разницу объектов твердотельных ионных и наноионных I, II, настоящая новая проблема быстрого транспорта ионов и хранения (или преобразования) заряда/энергии для этих объектов (быстрых ионных проводников) имеет особую общую основу: неравномерный потенциальный ландшафт на наноуровне (например), который определяет характер реакции подсистемы подвижных ионов на импульс или гармоническое внешнее воздействие, например, слабое влияние в диэлектрической спектроскопии (спектроскопия импеданса).

Nanoionics is the study and application of phenomena, properties, effects, methods and mechanisms of processes connected with fast ion transport (FIT) in all solid state nanoscale systems. The topics of interest include fundamental properties of oxide ceramics at nanometer length scales, and fast ion conductor (advanced superionic conductor)/electronic conductor heterostructures. Potential applications are in electrochemical devices (electrical double layer devices) for conversion and storage of energy, charge and information. The term and conception of nanoionics (as a new branch of science) were first introduced by A. L. Despotuli and V. I. Nikolaichik (Institute of Microelectronics Technology and High Purity Materials, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka) in January 1992. Nanoionics tries to describe, for example, diffusion&reactions, in terms that make sense only at a nanoscale, e. g., in terms of non uniform (at a nanoscale) potential landscape. There are two classes of solid state ionic nanosystems and two fundamentally different nanoionics: (I) nanosystems based on solids with low ionic conductivity, and (II) nanosystems based on advanced superionic conductors (e. g. alpha–AgI, rubidium silver iodide–family). Nanoionics I and nanoionics II differ from each other in the design of interfaces. The role of boundaries in nanoionics I is the creation of conditions for high concentrations of charged defects (vacancies and interstitials) in a disordered space charge layer. But in nanoionics II, it is necessary to conserve the original highly ionic conductive crystal structures of advanced superionic conductors at ordered (lattice matched) heteroboundaries. Nanoionic I can significantly enhance (up to ~108 times) the 2D like ion conductivity in nanostructured materials with structural coherence, but it is remaining ~103 times smaller relatively to 3D ionic conductivity of advanced superionic conductors. The classical theory of diffusion and migration in solids is based on the notion of a diffusion coefficient, activation energy
and electrochemical potential. This means that accepted is the picture of a hopping ion transport in the potential landscape where all barriers are of the same height (uniform potential relief). Despite the obvious difference of objects of solid state ionics and nanoionics I, II, the true new problem of fast ion transport and charge/energy storage (or transformation) for these objects (fast ion conductors) has a special common basis: non uniform potential landscape on nanoscale (for example ) which determines the character of the mobile ion subsystem response to an impulse or harmonic external influence, e. g. a weak influence in Dielectric spectroscopy (impedance spectroscopy).

Характеристики

Будучи ветвью нанонауки и нанотехнологии, наноионика однозначно определяется своими объектами (наноструктурами с FIT), предметом (свойствами, явлениями, эффектами, механизмами процессов и приложениями, связанными с FIT в наноуровне), методом (дизайном интерфейса в наносистемах сверхионных проводников) и критерием (R / L ~ 1, где R - масштаб длины структур устройств, а L - характеристическая длина, на которой свойства, характеристики и другие параметры, связанные с FIT, резко меняются). Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRS) относит наноионные резистивные коммутационные памяти к категории "новые исследовательские устройства" ("ионная память"). Область тесного пересечения наноэлектроники и наноионики была названа наноэлионикой (1996). Теперь, видение будущей наноэлектроники, ограниченной исключительно фундаментальными предельными ограничениями, формируется в передовых исследованиях. Конечные физические пределы вычислений очень далеко за пределами достигнутой в настоящее время области (1010 см -2, 1010 Гц). Какие логические переключатели могут использоваться при интеграции пета-масштаба около нм и под нм? Вопрос был уже в предмете, где термин "наноэлектроника" еще не использовался. Квантовая механика ограничивает различные электронные конфигурации эффектом туннелирования в масштабе тера. Для преодоления предела плотности битов 1012 см−2 в информационной области следует использовать атомные и ионные конфигурации с характерным размером L < 2 нм, а также материалы с эффективной массой носителей информации m* значительно большей, чем электронные: m* =13 m при L =1 нм, m* =53 m (L =0,5 нм) и m* =336 m (L =0,2 нм). литиевые батареи и топливные элементы с наноструктурными электродами, нано-ключи с квантовой проводимостью на основе быстрых ионных проводников (см. также мемристоры и программируемые металлизационные элементы). Они хорошо совместимы с наноэлектроникой под напряжением и глубоким под напряжением и могут найти широкое применение, например, в автономных микроисточниках питания, RFID, MEMS, умной пыли, наноморфных ячейках, других микро- и наносистемах или реконфигурируемых массивах ячеек памяти. Важный случай быстрой ионной проводимости в твердом состоянии находится в поверхностном пространственном зарядном слое ионных кристаллов. Такую проводимость впервые предсказал Курт Леховец. Значительная роль пограничных условий в отношении ионной проводимости была впервые экспериментально обнаружена К. С. Лянгом, который обнаружил аномально высокую проводимость в двухфазной системе LiI Al2O3. Поскольку слой космического заряда с определенными свойствами имеет толщину нанометра, эффект напрямую связан с наноионикой (наноионика I). Эффект Леховека стал основой для создания множества наноструктурных быстрых ионных проводников, которые используются в современных портативных литиевых батареях и топливных элементах. В 2012 году в наноионике был разработан динамический подход 1D-структуры для детального описания процессов образования и релаксации космического заряда в нерегулярном потенциальном рельефе (прямая проблема) и интерпретации характеристик наносистем с быстрым ионным транспортом (обратная проблема), например, для описания коллективного явления: соединенного ионного транспорта и диэлектрических процессов поляризации, которые приводят к "универсальному" динамическому ответу А. К. Джоншера.

Being a branch of nanoscience and nanotechnology, nanoionics is unambiguously defined by its own objects (nanostructures with FIT), subject matter (properties, phenomena, effects, mechanisms of processes, and applications connected with FIT at nano scale), method (interface design in nanosystems of superionic conductors), and the criterion (R/L ~1, where R is the length scale of device structures, and L is the characteristic length on which the properties, characteristics, and other parameters connected with FIT change drastically). The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) relates nanoionics based resistive switching memories to the category of "emerging research devices" ("ionic memory"). The area of close intersection of nanoelectronics and nanoionics had been called nanoelionics (1996). Now, the vision of future nanoelectronics constrained solely by fundamental ultimate limits is being formed in advanced research. The ultimate physical limits to computation are very far beyond the currently attained (1010 cm−2, 1010 Hz) region. What kind of logic switches might be used at the near nm and sub nm peta scale integration? The question was the subject matter already in, where the term "nanoelectronics" was not used yet. Quantum mechanics constrains electronic distinguishable configurations by the tunneling effect at tera scale. To overcome 1012 cm−2 bit density limit, atomic and ion configurations with a characteristic dimension of L <2 nm should be used in the information domain and materials with an effective mass of information carriers m* considerably larger than electronic ones are required: m* =13 me at L =1 nm, m* =53 me (L =0,5 nm) and m* =336 me (L =0,2 nm). lithium batteries and fuel cells with nanostructured electrodes, nano switches with quantized conductivity on the basis of fast ion conductors (see also memristors and programmable metallization cell). These are well compatible with sub voltage and deep sub voltage nanoelectronics and could find wide applications, for example in autonomous micro power sources, RFID, MEMS, smartdust, nanomorphic cell, other micro and nanosystems, or reconfigurable memory cell arrays. An important case of fast ionic conduction in solid states is in the surface space charge layer of ionic crystals. Such conduction was first predicted by Kurt Lehovec. A significant role of boundary conditions with respect to ionic conductivity was first experimentally discovered by C. C. Liang who found an anomalously high conduction in the LiI Al2O3 two phase system. Because a space charge layer with specific properties has nanometer thickness, the effect is directly related to nanoionics (nanoionics I). The Lehovec effect has become the basis for the creation of a multitude of nanostructured fast ion conductors which are used in modern portable lithium batteries and fuel cells. In 2012, a 1D structure dynamic approach was developed in nanoionics for a detailed description of the space charge formation and relaxation processes in irregular potential relief (direct problem) and interpretation of characteristics of nanosystems with fast ion transport (inverse problem), as an example, for the description of a collective phenomenon: coupled ion transport and dielectric polarization processes which lead to A. K. Jonscher's "universal" dynamic response.