Nanoiónica

La nanoiónica ^{[ 1 ]} es el estudio y la aplicación de fenómenos, propiedades, efectos, métodos y mecanismos de procesos relacionados con el transporte rápido de iones (FIT) en sistemas a nanoescala totalmente sólidos . Los temas de interés incluyen las propiedades fundamentales de las cerámicas de óxido a escalas nanométricas y las heteroestructuras de conductores de iones rápidos ( conductores superiónicos avanzados )/conductores electrónicos . ^{[ 2 ]} Las aplicaciones potenciales se encuentran en dispositivos electroquímicos ( dispositivos de doble capa eléctrica ) para la conversión y el almacenamiento de energía , carga e información. El término y la concepción de la nanoiónica (como una nueva rama de la ciencia) fueron introducidos por primera vez por AL Despotuli y VI Nikolaichik (Instituto de Tecnología de Microelectrónica y Materiales de Alta Pureza, Academia Rusa de Ciencias, Chernogolovka) en enero de 1992. ^{[ 1 ]}

Un campo científico e industrial multidisciplinario de la iónica de estado sólido , que se ocupa de los fenómenos de transporte iónico en sólidos, considera la nanoiónica como su nueva división. ^{[ 3 ]} La nanoiónica intenta describir, por ejemplo, la difusión y las reacciones, en términos que solo tienen sentido a nanoescala, por ejemplo, en términos de un paisaje potencial no uniforme (a nanoescala).

Hay dos clases de nanosistemas iónicos de estado sólido y dos nanoiónicas fundamentalmente diferentes: (I) nanosistemas basados ​​en sólidos con baja conductividad iónica, y (II) nanosistemas basados ​​en conductores superiónicos avanzados (por ejemplo, alfa– AgI , familia del yoduro de rubidio y plata ). ^{[ 4 ]} La nanoiónica-I y la nanoiónica-II difieren entre sí en el diseño de las interfaces. El papel de los límites en la nanoiónica-I es la creación de condiciones para altas concentraciones de defectos cargados (vacantes e intersticiales) en una capa de carga espacial desordenada. Pero en la nanoiónica-II, es necesario conservar las estructuras cristalinas originales de alta conductividad iónica de los conductores superiónicos avanzados en heterolímites ordenados (con coincidencia de red). Nanoionic-I puede mejorar significativamente (hasta ~10 ⁸ veces) la conductividad iónica de tipo 2D en materiales nanoestructurados con coherencia estructural, ^{[ 5 ]} pero sigue siendo ~10 ³ veces menor en relación con la conductividad iónica 3D de los conductores superiónicos avanzados.

La teoría clásica de difusión y migración en sólidos se basa en la noción de coeficiente de difusión, energía de activación ^{[ 6 ]} y potencial electroquímico ^{[ 7 ]} . Esto significa que se acepta la imagen de un transporte iónico por salto en el paisaje de potencial donde todas las barreras tienen la misma altura (relieve de potencial uniforme). A pesar de la obvia diferencia entre los objetos de iónica de estado sólido y nanoiónica-I, -II, el verdadero problema nuevo del transporte iónico rápido y el almacenamiento (o transformación) de carga/energía para estos objetos ( conductores iónicos rápidos ) tiene una base común especial: un paisaje de potencial no uniforme a nanoescala ^{[ 8 ]} (por ejemplo) que determina el carácter de la respuesta del subsistema iónico móvil a un impulso o influencia externa armónica, por ejemplo, una influencia débil en la espectroscopia dieléctrica (espectroscopia de impedancia) ^{[ 9 ] .}

Como rama de la nanociencia y la nanotecnología , la nanoiónica se define inequívocamente por sus propios objetos (nanoestructuras con FIT), materia de estudio (propiedades, fenómenos, efectos, mecanismos de procesos y aplicaciones relacionadas con FIT a nanoescala), método (diseño de interfaz en nanosistemas de conductores superiónicos) y criterio (R/L ~1, donde R es la escala de longitud de las estructuras del dispositivo y L es la longitud característica en la que las propiedades, características y otros parámetros relacionados con FIT cambian drásticamente).

La Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores (ITRS) relaciona las memorias de conmutación resistiva basadas en nanoiónica con la categoría de "dispositivos de investigación emergentes" ("memoria iónica"). El área de estrecha intersección de la nanoelectrónica y la nanoiónica se denominó nanoelionics (1996). Ahora, la visión de la nanoelectrónica futura, limitada únicamente por límites fundamentales últimos, se está formando en la investigación avanzada. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} Los límites físicos últimos de la computación ^{[ 14 ]} están muy lejos de la región actualmente alcanzada (10 ¹⁰ cm ⁻² , 10 ¹⁰ Hz). ¿Qué tipo de interruptores lógicos podrían usarse en la integración a escala peta cercana a nm y subnm? La pregunta ya era el tema en, ^{[ 15 ]} donde el término "nanoelectrónica" ^{[ 16 ]} aún no se usaba. La mecánica cuántica restringe las configuraciones electrónicas distinguibles mediante el efecto túnel a escala de terabytes. Para superar el límite de densidad de bits de 10¹² cm⁻², se deben utilizar configuraciones atómicas e iónicas con una dimensión característica de L < 2 ^{nm en} el dominio de la información y se requieren materiales con una masa efectiva de portadores de información m* considerablemente mayor que la de los electrónicos: m* = 13 m _e en L = 1 nm, m* = 53 m _e (L = 0,5 nm) y m* = 336 m _e (L = 0,2 nm). ^{[ 13 ]} Los futuros dispositivos de tamaño reducido pueden ser nanoiónicos, es decir, basados ​​en el transporte rápido de iones a nanoescala, como se afirmó por primera vez en. ^{[ 1 ]}    

Los ejemplos de dispositivos nanoiónicos son supercondensadores de estado sólido con transporte rápido de iones en las heterouniones funcionales ( supercondensadores nanoiónicos ), ^{[ 4 ] [ 17 ]} baterías de litio y pilas de combustible con electrodos nanoestructurados, ^{[ 18 ]} nanointerruptores con conductividad cuantizada basados ​​en conductores de iones rápidos ^{[ 19 ] [ 20 ]} (véase también memristores y celda de metalización programable ). Estos son compatibles con la nanoelectrónica de subtensión y subtensión profunda ^{[ 21 ]} y podrían encontrar amplias aplicaciones, por ejemplo, en microfuentes de energía autónomas , RFID , MEMS , polvo inteligente , celda nanomórfica , otros micro y nanosistemas o matrices de celdas de memoria reconfigurables .

Un caso importante de conducción iónica rápida en estados sólidos se encuentra en la capa de carga espacial superficial de cristales iónicos. Esta conducción fue predicha por primera vez por Kurt Lehovec . ^{[ 22 ]} Un papel significativo de las condiciones de contorno con respecto a la conductividad iónica fue descubierto experimentalmente por primera vez por CC Liang ^{[ 23 ]} quien encontró una conductividad anómalamente alta en el sistema bifásico LiI-Al2O3 _{. Debido} a que una capa de carga espacial con propiedades específicas tiene un espesor nanométrico, el efecto está directamente relacionado con la nanoiónica (nanoiónica-I). El efecto Lehovec se ha convertido en la base para la creación de una multitud de conductores iónicos rápidos nanoestructurados que se utilizan en baterías de litio portátiles modernas y pilas de combustible . En 2012, se desarrolló un enfoque de dinámica estructural 1D en nanoiónica ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} para una descripción detallada de los procesos de formación y relajación de carga espacial en relieve de potencial irregular (problema directo) e interpretación de las características de los nanosistemas con transporte rápido de iones (problema inverso), como ejemplo, para la descripción de un fenómeno colectivo: procesos acoplados de transporte de iones y polarización dieléctrica que conducen a la respuesta dinámica "universal" de AK Jonscher .

• Célula de metalización programable