ナノイオニクス

ナノイオニクス^{[ 1 ]}は、全固体ナノスケールシステムにおける高速イオン輸送（FIT）に関連するプロセスの現象、特性、効果、方法、メカニズムの研究と応用です。関心のあるトピックには、ナノメートル長スケールでの酸化物セラミックスの基本特性、および高速イオン伝導体（高度超イオン伝導体）/電子伝導体ヘテロ構造が含まれます。^{[ 2 ]}潜在的な応用は、エネルギー、電荷、および情報の変換と貯蔵のための電気化学デバイス（電気二重層デバイス）です。ナノイオニクスの用語と概念（新しい科学分野として）は、1992年1月にAL DespotuliとVI Nikolaichik（ロシア科学アカデミー、チェルノゴロフカ、マイクロエレクトロニクス技術および高純度材料研究所）によって初めて導入されました。^{[ 1 ]}

固体中のイオン輸送現象を扱う学際的な科学および産業分野である固体イオン学は、ナノイオン学をその新しい部門とみなしている。^{[ 3 ]}ナノイオン学は、例えば、拡散と反応を、ナノスケールでのみ意味のある用語、例えば、（ナノスケールで）不均一なポテンシャルランドスケープの観点から記述しようとする。

固体イオンナノシステムには 2 つのクラスがあり、根本的に異なる 2 つのナノイオニクスがあります。(I) イオン伝導率の低い固体に基づくナノシステム、および (II)高度な超イオン伝導体(例えば、α- AgI、ルビジウム銀ヨウ化物ファミリー) に基づくナノシステム。^{[ 4 ]}ナノイオニクス I とナノイオニクス II は、界面の設計において互いに異なります。ナノイオニクス I における境界の役割は、無秩序な空間電荷層に高濃度の荷電欠陥 (空孔と格子間原子) が存在する条件を作り出すことです。しかし、ナノイオニクス II では、秩序だった (格子整合した) ヘテロ境界で、高度な超イオン伝導体の元の高イオン伝導結晶構造を維持する必要があります。ナノイオン-Iは、構造的整合性を持つナノ構造材料の2Dのようなイオン伝導率を大幅に向上させることができます（最大で約10 ⁸倍）が、 ^{[ 5 ]}先進的な超イオン伝導体の3Dイオン伝導率と比較すると約10 ^{3倍小さいままです。}

固体中の拡散と移動の古典的な理論は、拡散係数、活性化エネルギー^{[ 6 ]}、および電気化学ポテンシャル^{[ 7 ]}の概念に基づいています。これは、すべての障壁が同じ高さである（均一なポテンシャル起伏）ポテンシャル地形におけるホッピングイオン輸送の図が受け入れられていることを意味します。固体イオン学とナノイオン学-I、-IIの対象には明らかな違いがありますが、これらの対象（高速イオン伝導体）の高速イオン輸送と電荷/エネルギー貯蔵（または変換）の真の新しい問題には、特別な共通基盤があります。それは、ナノスケールでの不均一なポテンシャル地形^{[ 8 ]} （例えば）であり、これは、振動イオンサブシステムがインパルスまたは調和的な外部影響、例えば誘電分光法（インピーダンス分光法）における弱い影響に対してどのように応答するかを決定します^{[ 9 ] 。}

ナノイオニクスはナノサイエンスとナノテクノロジーの一分野であり、その対象（FITを備えたナノ構造）、主題（ナノスケールでのFITに関連する特性、現象、効果、プロセスのメカニズム、およびアプリケーション）、方法（超イオン伝導体のナノシステムにおける界面設計）、および基準（R/L ~1、ここでRはデバイス構造の長さスケール、LはFITに関連する特性、特徴、およびその他のパラメータが劇的に変化する特性長）によって明確に定義されます。

半導体に関する国際技術ロードマップ（ITRS）は、ナノイオニクスベースの抵抗スイッチングメモリを「新興研究デバイス」（「イオンメモリ」）のカテゴリに関連付けています。ナノエレクトロニクスとナノイオニクスの密接な交差領域は、ナノエリオニクス（1996年）と呼ばれていました。現在、高度な研究において、根本的な究極的限界のみによって制約される未来のナノエレクトロニクスのビジョンが形成されています。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}計算の究極的な物理的限界^{[ 14 ]は、現在達成されている（10 10} cm ^−2、10 10 Hz）領域をはるかに超えています。nmおよびサブnmペタスケールの集積では、どのような種類のロジックスイッチが使用される可能性がありますか？この問題は、すでに^{[ 15 ]で主題となっており、そこでは「ナノエレクトロニクス」 [ 16 ]}という用語はまだ使用されていませんでした。量子力学は、テラスケールでのトンネル効果によって電子的に識別可能な構成を制約します。 10 ¹² cm ⁻²ビット密度の限界を克服するには、情報領域では特性寸法 L <2 nm の原子およびイオン構成を使用する必要があり、電子の情報キャリアよりもかなり大きい有効情報キャリア質量 m* を持つ材料が必要です。L =1 nmでは m* =13 m _e 、 L =0.5 nm ではm* =53 m _e 、 L =0.2 nmでは m* =336 m _eです。 ^{[ 13 ]}将来の小型デバイスは、最初に述べられたように、ナノスケールでの高速イオン輸送に基づくナノイオンになる可能性があります。^{[ 1 ]}    

ナノイオンデバイスの例としては、機能ヘテロ接合部での高速イオン輸送を備えた全固体スーパーキャパシタ（ナノイオンスーパーキャパシタ）^{[ 4 ] [ 17 ]} 、ナノ構造電極を備えたリチウム電池および燃料電池^{[ 18 ]} 、高速イオン伝導体に基づく量子化伝導性を備えたナノスイッチ^{[ 19 ] [ 20 ]}（メモリス​​タおよびプログラマブルメタライゼーションセルも参照）などがある。これらはサブ電圧およびディープサブ電圧ナノエレクトロニクス^{[ 21 ]}と互換性が高く、例えば自律型マイクロ電源、RFID、MEMS、スマートダスト、ナノモルフィックセル、その他のマイクロおよびナノシステム、または再構成可能なメモリセルアレイなど、幅広い用途が見込まれる。

固体における高速イオン伝導の重要な事例は、イオン結晶の表面空間電荷層である。このような伝導は、最初にKurt Lehovecによって予測された。^{[ 22 ]}イオン伝導率に関して境界条件が重要な役割を果たすことは、LiI-Al2O3 二相系で異常に高い伝導率を発見した CC Liang によって初めて実験的に発見された。[ _{23 ]}^{特定の特性}を持つ空間電荷層はナノメートル厚であるため、この効果はナノイオン伝導（ナノイオン伝導-I）に直接関係している。Lehovec効果は、現代の携帯型リチウム電池や燃料電池で使用される多数のナノ構造高速イオン伝導体の作成の基礎となっている。 2012年に、ナノイオニクスにおいて1D構造動的アプローチが開発されました^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]。}これは、不規則なポテンシャルレリーフにおける空間電荷の形成と緩和プロセスの詳細な記述（直接問題）と、高速イオン輸送を伴うナノシステムの特性の解釈（逆問題）のためのもので、例えば、AK Jonscherの「普遍的な」動的応答につながる結合イオン輸送と誘電分極プロセスの集団現象の記述に用いられました。

• プログラム可能な金属化セル