Наноионика

Наноионика ^[1] — это изучение и применение явлений, свойств, эффектов, методов и механизмов процессов, связанных с транспортом быстрых ионов (FIT) в твердотельных наноразмерных системах. Темы, представляющие интерес, включают фундаментальные свойства оксидной керамики в нанометровом масштабе, а также с быстрым ионным проводником ( усовершенствованный суперионный проводник )/электронным проводником гетероструктуры . ^[2] Потенциальные применения находятся в электрохимических устройствах ( электрических двухслойных устройствах) для преобразования и хранения энергии , заряда и информации. Термин и понятие наноионика (как новая отрасль науки) впервые были предложены А. Л. Деспотули и В. И. Николаичиком (Институт микроэлектронной технологии и особо чистых материалов РАН, Черноголовка) в январе 1992 года. ^[1]

Междисциплинарная научная и промышленная область ионики твердого тела , занимающаяся явлениями переноса ионов в твердых телах, считает наноионику своим новым разделом. ^[3] Наноионика пытается описать, например, диффузию и реакции в терминах, которые имеют смысл только на наноуровне, например, с точки зрения неоднородного (на наноуровне) 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 современных суперионных проводников (например, альфа- AgI , йодида рубидия-серебра семейство ). . ^[4] Наноионикс-I и наноионик-II отличаются друг от друга конструкцией интерфейсов. Роль границ в наноионике-I заключается в создании условий для высоких концентраций заряженных дефектов (вакансий и междоузлий) в неупорядоченном слое объемного заряда. Но в наноионике-II необходимо сохранить исходные высокоионные проводящие кристаллические структуры современных суперионных проводников на упорядоченных (решеточно-согласованных) гетерограницах. Наноионный-I позволяет значительно повысить (до ~10 ⁸ раз) двумерная ионная проводимость в наноструктурных материалах со структурной когерентностью, ^[5] но осталось ~10 ³ раз 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 транспорта ионов в потенциальном ландшафте, где все барьеры имеют одинаковую высоту (равномерный потенциальный рельеф). Несмотря на очевидное различие объектов твердотельной ионики и наноионики-I,-II, по-настоящему новая задача транспорта быстрых ионов и накопления (или преобразования) заряда/энергии для этих объектов ( проводников быстрых ионов ) имеет особую общую основу: не -однородный потенциальный ландшафт в наномасштабе ^[8] (например), определяющий характер реакции подсистемы мобильных ионов на импульсное или гармоническое внешнее воздействие, например слабое воздействие в диэлектрической спектроскопии (импедансной спектроскопии). ^[9]

Характеристики

Будучи отраслью нанонауки и нанотехнологий , наноионика однозначно определяется собственными объектами (наноструктурами с ФИТ), предметом (свойствами, явлениями, эффектами, механизмами процессов и приложениями, связанными с ФИТ на наномасштабе), методом (проектированием интерфейса). в наносистемах суперионных проводников) и критерий (R/L ~1, где R — масштаб длины приборных структур, а L — характерная длина, на которой радикально изменяются свойства, характеристики и другие параметры, связанные с FIT).

Международная технологическая карта полупроводников (ITRS) относит память с резистивным переключением на основе наноионики к категории «новых исследовательских устройств» («ионная память»). Область тесного пересечения наноэлектроники и наноионики получила название наноэлоника (1996). Сейчас в ходе передовых исследований формируется видение будущей наноэлектроники, ограниченной исключительно фундаментальными пределами. ^[10]^[11]^[12]^[13] Предельные физические ограничения вычислений ^[14] значительно превосходят достигнутые в настоящее время (10 ¹⁰ см ⁻², 10 ¹⁰ Гц) регион. Какие логические переключатели можно использовать при интеграции пета-масштабов, близких к нм и субнм? Вопрос был в том, что тема уже обсуждалась, ^[15] где термин "наноэлектроника" ^[16] еще не использовался. Квантовая механика ограничивает различимые электронные конфигурации туннельным эффектом в терамасштабе. Преодолеть 10 ¹² см ⁻² предел битовой плотности, в информационной области следует использовать атомные и ионные конфигурации с характерным размером L <2 нм и необходимы материалы с эффективной массой носителей информации m*, значительно большей, чем у электронных: m* =13 m _e при L =1 нм, m* =53 м _е (L =0,5 нм) и m* =336 м _е (L =0,2 нм). ^[13] Будущие устройства небольшого размера могут быть наноионными, то есть основанными на транспорте быстрых ионов на наноуровне, как это было впервые заявлено в . ^[1]

Примеры

Примерами наноионных устройств являются твердотельные суперконденсаторы с быстрым транспортом ионов 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] (см. также мемристоры и программируемая ячейка металлизации ). Они хорошо совместимы с наноэлектроникой, работающей под напряжением и под напряжением. ^[21] и может найти широкое применение, например, в автономных источниках микропитания , RFID , MEMS , smartdust , наноморфных элементах , других микро- и наносистемах или реконфигурируемых ячеек памяти массивах .

Важным случаем быстрой ионной проводимости в твердых состояниях является слой поверхностного пространственного заряда ионных кристаллов. Такая проводимость впервые была предсказана Куртом Леговцем . ^[22] Существенная роль граничных условий в отношении ионной проводимости была впервые экспериментально обнаружена К.С. Ляном. ^[23] LiI-Al ₂ O ₃которые обнаружили аномально высокую проводимость в двухфазной системе . Поскольку слой объемного заряда с особыми свойствами имеет нанометровую толщину, эффект напрямую связан с наноионикой (наноионика-I). Эффект Леховца стал основой для создания множества наноструктурированных проводников быстрых ионов , которые используются в современных портативных литиевых батареях и топливных элементах . В 2012 году в наноионике был разработан одномерный структурно-динамический подход. ^[24]^[25]^[26] за детальное описание процессов формирования и релаксации объемного заряда в нерегулярном потенциальном рельефе (прямая задача) и интерпретации характеристик наносистем с быстрым ионным транспортом (обратная задача), например, для описания коллективного явления: связанного ионного транспорта и процессы диэлектрической поляризации, которые приводят к А. К. Йоншера «универсальному» динамическому отклику .

См. также

Программируемая ячейка металлизации

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Деспотули, Алабама; Николаич VI (1993). «Шаг к наноионике». Ионика твердого тела . 60 (4): 275–278. дои : 10.1016/0167-2738(93)90005-Н .
^ Ямагучи, С. (2007). «Наноионика – настоящее и перспективы» . Наука и технология перспективных материалов . 8 (6): 503 (скачать бесплатно). Бибкод : 2007STAdM...8..503Y . дои : 10.1016/j.stam.2007.10.002 .
^ CS Сунандана (2015). Введение в ионику твердого тела: феноменология и приложения (первое изд.). ЦРК Пресс. п. 529. ИСБН 9781482229707 .
^ Jump up to: ^а ^б Деспотули, Алабама; Андреева А.В.; Рамбабу, Б. (2005). «Наноионика перспективных суперионных проводников». Ионика . 11 (3–4): 306–314. дои : 10.1007/BF02430394 . S2CID 53352333 .
^ Гарсия-Барриоканал, Ж.; Ривера-Кальсада, А.; Варела, М.; Сефриуи, З.; Иборра, Э.; Леон, К.; Пенникук, С.Дж.; Сантамария, Дж. (2008). «Колоссальная ионная проводимость на границах раздела эпитаксиальных гетероструктур ZrO ₂ :Y ₂ O ₃ /SrTiO ₃ ». Наука . 321 (5889): 676–680. Бибкод : 2008Sci...321..676G . дои : 10.1126/science.1156393 . ПМИД 18669859 . S2CID 32000781 .
^ Х. Мерер (2007). Диффузия в твердых телах (Первое изд.). Шпрингер-Верлаг Берлин Гейдельберг. п. 651. ИСБН 978-3-540-71488-0 .
^ А.Д. Макнот (1997). ИЮПАК. Сборник химической терминологии (Золотая книга) (2-е изд.). Научные публикации Блэквелла. п. 1622. ИСБН 978-0-9678550-9-7 .
^ Бинди, Л.; Эвейн М. (2006). «Характер быстрой ионной проводимости и ионные фазовые переходы в неупорядоченных кристаллах: сложный случай минералов группы пирсеит – полибазит». Физхим Майнер . 33 (10): 677–690. Бибкод : 2006PCM....33..677B . дои : 10.1007/s00269-006-0117-7 . S2CID 95315848 .
^ Деспотули, А.; Андреева А. (2015). «Ток смещения Максвелла и природа «универсального» динамического отклика Джоншера в наноионике». Ионика . 21 (2): 459–469. arXiv : 1403.4818 . дои : 10.1007/s11581-014-1183-3 . S2CID 95593078 .
^ Кэвин, РК; Жирнов В.В. (2006). «Общие абстракции устройств для технологий обработки информации». Твердотельная электроника . 50 (4): 520–526. Бибкод : 2006SSEle..50..520C . дои : 10.1016/j.sse.2006.03.027 .
^ Серофолини, Г. Ф. (2007). «Реалистичные пределы вычислений. I. Физические пределы». Прил. Физ. А. 86 (1): 23–29. Бибкод : 2007ApPhA..86...23C . дои : 10.1007/s00339-006-3670-5 . S2CID 95576872 .
^ Церофолини, Г. Ф.; Романо Э. (2008). «Молекулярная электроника в кремнии». Прил. Физ. А. 91 (2): 181–210. Бибкод : 2008ApPhA..91..181C . дои : 10.1007/s00339-008-4415-4 . S2CID 98046999 .
^ Jump up to: ^а ^б Жирнов В.В.; Кэвин РК (2007). «Новые исследовательские наноэлектронные устройства: выбор носителя информации». ECS-транзакции . 11 (6): 17–28. Бибкод : 2007ECSTr..11f..17Z . CiteSeerX 10.1.1.1019.3697 . дои : 10.1149/1.2778363 . S2CID 138663309 .
^ Ллойд, С. (2000). «Предельные физические пределы вычислений». Природа . 406 (6799): 1047–1054. arXiv : Quant-ph/9908043 . Бибкод : 2000Natur.406.1047L . дои : 10.1038/35023282 . ПМИД 10984064 . S2CID 75923 .
^ Кьябрера, А.; Ди Зитти, Э.; Коста, Ф.; Бисио, генеральный директор (1989). «Физические пределы интеграции и обработки информации в молекулярных системах». Дж. Физ. Д: Прил. Физ . 22 (11): 1571–1579. Бибкод : 1989JPhD...22.1571C . дои : 10.1088/0022-3727/22/11/001 . S2CID 250835760 .
^ Бейт, RT; Рид М.А.; Френсли В. Р. (август 1987 г.). «Наноэлектроника (в выпускном техническом отделе» Texas Instruments Inc. Даллас ).
^ Деспотули А.Л.; Андреева А.В. (2007). «Высокоемкие конденсаторы для наноэлектроники 0,5 В». Современная электроника . 7 : 24–29. Русский: "2007 №7 Содержание журнала "СТА" " . Archived from the original on 2007-11-05 . Retrieved 2007-10-13 . English translation: [1]
^ Майер, Дж. (2005). «Наноионика: транспорт ионов и электрохимическое хранение в замкнутых системах». Природные материалы . 4 (11): 805–815. Бибкод : 2005NatMa...4..805M . дои : 10.1038/nmat1513 . ПМИД 16379070 . S2CID 13835739 .
^ Банно, Н.; Сакамото, Т.; Игучи, Н.; Каваура, Х.; Каэрияма, С.; Мизуно, М.; Терабе, К.; Хасэгава, Т.; Аоно, М. (2006). «Твердоэлектролитный нанометровый переключатель» . Транзакции IEICE по электронике . E89-C(11) (11): 1492–1498. Бибкод : 2006IEITE..89.1492B . doi : 10.1093/ietele/e89-c.11.1492 .
^ Васер, Р. ; Аоно, М. (2007). «Резистивная переключающая память на основе наноионики». Природные материалы . 6 (11): 833–840. Бибкод : 2007NatMa...6..833W . дои : 10.1038/nmat2023 . ПМИД 17972938 .
^ "Перспективы развития в России глубоко субвольтовой наноэлектроники и связанных с ней технологий" .
^ Леговец, К. (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов» . Журнал химической физики . 21 (7): 1123–1128. Бибкод : 1953ЖЧФ..21.1123Л . дои : 10.1063/1.1699148 .
^ Лян, CC (1973). «Характеристики проводимости твердых электролитов йодида лития и оксида алюминия» . Дж. Электрохим. Соц . 120 (10): 1289–1292. Бибкод : 1973JElS..120.1289L . дои : 10.1149/1.2403248 .
^ "Структурно-динaмический подход в наноионике" .
^ Деспотули, Александр; Андреева, Александра (2013). «Структурно-динамический подход в наноионике. Моделирование ионного транспорта на блокирующем электроде». arXiv : 1311.3480 [ cond-mat.mtrl-sci ].
^ Деспотули, А.; 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 . S2CID 100727969 .

[despotuli1-1] Jump up to: ^а ^б ^с Деспотули, Алабама; Николаич VI (1993). «Шаг к наноионике». Ионика твердого тела . 60 (4): 275–278. дои : 10.1016/0167-2738(93)90005-Н .

[2] Ямагучи, С. (2007). «Наноионика – настоящее и перспективы» . Наука и технология перспективных материалов . 8 (6): 503 (скачать бесплатно). Бибкод : 2007STAdM...8..503Y . дои : 10.1016/j.stam.2007.10.002 .

[Sunandana-3] CS Сунандана (2015). Введение в ионику твердого тела: феноменология и приложения (первое изд.). ЦРК Пресс. п. 529. ИСБН 9781482229707 .

[despotuli2-4] Jump up to: ^а ^б Деспотули, Алабама; Андреева А.В.; Рамбабу, Б. (2005). «Наноионика перспективных суперионных проводников». Ионика . 11 (3–4): 306–314. дои : 10.1007/BF02430394 . S2CID 53352333 .

[5] Гарсия-Барриоканал, Ж.; Ривера-Кальсада, А.; Варела, М.; Сефриуи, З.; Иборра, Э.; Леон, К.; Пенникук, С.Дж.; Сантамария, Дж. (2008). «Колоссальная ионная проводимость на границах раздела эпитаксиальных гетероструктур ZrO ₂ :Y ₂ O ₃ /SrTiO ₃ ». Наука . 321 (5889): 676–680. Бибкод : 2008Sci...321..676G . дои : 10.1126/science.1156393 . ПМИД 18669859 . S2CID 32000781 .

[Mehrer-6] Х. Мерер (2007). Диффузия в твердых телах (Первое изд.). Шпрингер-Верлаг Берлин Гейдельберг. п. 651. ИСБН 978-3-540-71488-0 .

[McNaught-7] А.Д. Макнот (1997). ИЮПАК. Сборник химической терминологии (Золотая книга) (2-е изд.). Научные публикации Блэквелла. п. 1622. ИСБН 978-0-9678550-9-7 .

[8] Бинди, Л.; Эвейн М. (2006). «Характер быстрой ионной проводимости и ионные фазовые переходы в неупорядоченных кристаллах: сложный случай минералов группы пирсеит – полибазит». Физхим Майнер . 33 (10): 677–690. Бибкод : 2006PCM....33..677B . дои : 10.1007/s00269-006-0117-7 . S2CID 95315848 .

[9] Деспотули, А.; Андреева А. (2015). «Ток смещения Максвелла и природа «универсального» динамического отклика Джоншера в наноионике». Ионика . 21 (2): 459–469. arXiv : 1403.4818 . дои : 10.1007/s11581-014-1183-3 . S2CID 95593078 .

[10] Кэвин, РК; Жирнов В.В. (2006). «Общие абстракции устройств для технологий обработки информации». Твердотельная электроника . 50 (4): 520–526. Бибкод : 2006SSEle..50..520C . дои : 10.1016/j.sse.2006.03.027 .

[11] Серофолини, Г. Ф. (2007). «Реалистичные пределы вычислений. I. Физические пределы». Прил. Физ. А. 86 (1): 23–29. Бибкод : 2007ApPhA..86...23C . дои : 10.1007/s00339-006-3670-5 . S2CID 95576872 .

[12] Церофолини, Г. Ф.; Романо Э. (2008). «Молекулярная электроника в кремнии». Прил. Физ. А. 91 (2): 181–210. Бибкод : 2008ApPhA..91..181C . дои : 10.1007/s00339-008-4415-4 . S2CID 98046999 .

[zhirnovcalvin-13] Jump up to: ^а ^б Жирнов В.В.; Кэвин РК (2007). «Новые исследовательские наноэлектронные устройства: выбор носителя информации». ECS-транзакции . 11 (6): 17–28. Бибкод : 2007ECSTr..11f..17Z . CiteSeerX 10.1.1.1019.3697 . дои : 10.1149/1.2778363 . S2CID 138663309 .

[14] Ллойд, С. (2000). «Предельные физические пределы вычислений». Природа . 406 (6799): 1047–1054. arXiv : Quant-ph/9908043 . Бибкод : 2000Natur.406.1047L . дои : 10.1038/35023282 . ПМИД 10984064 . S2CID 75923 .

[15] Кьябрера, А.; Ди Зитти, Э.; Коста, Ф.; Бисио, генеральный директор (1989). «Физические пределы интеграции и обработки информации в молекулярных системах». Дж. Физ. Д: Прил. Физ . 22 (11): 1571–1579. Бибкод : 1989JPhD...22.1571C . дои : 10.1088/0022-3727/22/11/001 . S2CID 250835760 .

[16] Бейт, RT; Рид М.А.; Френсли В. Р. (август 1987 г.). «Наноэлектроника (в выпускном техническом отделе» Texas Instruments Inc. Даллас ).

[17] Деспотули А.Л.; Андреева А.В. (2007). «Высокоемкие конденсаторы для наноэлектроники 0,5 В». Современная электроника . 7 : 24–29. Русский: "2007 №7 Содержание журнала "СТА" " . Archived from the original on 2007-11-05 . Retrieved 2007-10-13 . English translation: [1]

[18] Майер, Дж. (2005). «Наноионика: транспорт ионов и электрохимическое хранение в замкнутых системах». Природные материалы . 4 (11): 805–815. Бибкод : 2005NatMa...4..805M . дои : 10.1038/nmat1513 . ПМИД 16379070 . S2CID 13835739 .

[19] Банно, Н.; Сакамото, Т.; Игучи, Н.; Каваура, Х.; Каэрияма, С.; Мизуно, М.; Терабе, К.; Хасэгава, Т.; Аоно, М. (2006). «Твердоэлектролитный нанометровый переключатель» . Транзакции IEICE по электронике . E89-C(11) (11): 1492–1498. Бибкод : 2006IEITE..89.1492B . doi : 10.1093/ietele/e89-c.11.1492 .

[20] Васер, Р. ; Аоно, М. (2007). «Резистивная переключающая память на основе наноионики». Природные материалы . 6 (11): 833–840. Бибкод : 2007NatMa...6..833W . дои : 10.1038/nmat2023 . ПМИД 17972938 .

[21] "Перспективы развития в России глубоко субвольтовой наноэлектроники и связанных с ней технологий" .

[22] Леговец, К. (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов» . Журнал химической физики . 21 (7): 1123–1128. Бибкод : 1953ЖЧФ..21.1123Л . дои : 10.1063/1.1699148 .

[23] Лян, CC (1973). «Характеристики проводимости твердых электролитов йодида лития и оксида алюминия» . Дж. Электрохим. Соц . 120 (10): 1289–1292. Бибкод : 1973JElS..120.1289L . дои : 10.1149/1.2403248 .

[24] "Структурно-динaмический подход в наноионике" .

[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] Деспотули, А.; 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 . S2CID 100727969 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]