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、ナノメートルの長さスケールでの酸化物セラミックの基本特性、および高速イオン伝導体（高度な超イオン伝導体）/電子伝導体ヘテロ構造が含まれます。^{[2]潜在的な用途は、}エネルギー、電荷、および情報の変換と保存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（新しい科学分野として）という用語と概念は、1992年1月にAL DespotuliとVI Nikolaichik（ロシア科学アカデミー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、チェルノゴロフカ）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固体イオニクスの学際的な科学および産業分野では、ナノイオニクスを新しい部門とみなしています。^[3]ナノイオニクスは、例えば拡散と反応を、ナノスケールでのみ意味をなす用語、例えば非均一な（ナノスケールでの）電位地形の観点から説明しようとします。

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)先進的な超イオン伝導体（例：アルファ-AgI、ルビジウムヨウ化銀ファミリー）に基づくナノシステムです。^[4]ナノイオニクス-Iとナノイオニクス-IIは、界面の設計が異なります。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内に高濃度の荷電欠陥（空孔および格子間原子）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、先進的な超イオン伝導体の元の高イオン伝導性結晶構造を保存する必要があります。ナノイオン-Iは、構造的一貫性を持つナノ構造材料の2Dのようなイオン伝導性を大幅に（最大約10 ^{8倍）向上させることができますが、 [5]}高度な超イオン伝導体の3Dイオン伝導性と比較すると、 約10 ³倍小さいままです。

固体中の拡散と移動の古典的理論は、拡散係数、活性化エネルギー^[6]、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ポテンシャルランドスケープ（均一なポテンシャルレリーフ）での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。固体イオニクスとナノイオニクス-I、-IIの対象の明らかな違いにもかかわらず、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）という真の新しい問題には、特別な共通の基礎があります。それは、（たとえば）ナノスケールの不均一なポテンシャルランドスケープ^{[8]であり、これは、}誘電分光法（インピーダンス分光法）における弱い影響など、インパルスまたは高調波の外部影響に対する可動イオンサブシステムの応答の特性を決定します。^[9]

ナノサイエンスとナノテクノロジーの分野であるナノイオニクスは、その目的 (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インターフェース設計)、および基準 (R/L 約 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ーが大幅に変化する特性長さ) によって明確に定義されます。

国際半導体技術ロードマップ（ITRS）では、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が密接に交差する領域は、ナノエリオニクスと呼ばれていました（1996年）。現在、基本的な究極の限界によってのみ制約される将来のナノエレクトロニクスのビジョンが、高度な研究で形成されています。^{[10] [11] [12] [13]}計算の究極の物理的限界^{[14]は、現在達成されている領域（10 10} cm ⁻²、10 ¹⁰ Hz）をはるかに超えています。近nmおよびサブnmペタスケールの統合では、どのようなロジックスイッチが使用される可能性がありますか？この質問は、 ^[15]ですでに主題となっており、そこでは「ナノエレクトロニクス」という用語^[16]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の識別可能な構成を制約します。 10 ¹² cm ^{−2 の}ビット密度限界を克服するためには、情報領域において L <2 nm の特性寸法を持つ原子およびイオン構成を使用する必要があり、情報キャリアの有効質量 m* が電子のものよりかなり大きい材料が必要です。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]将来の短サイズデバイスはナノイオン、つまりナノスケールでの高速イオン輸送に基づくものになる可能性があります。これは[1]}で最初に述べられました。

ナノイオンデバイスの例としては、機能性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された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）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]と互換性があり、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、その他のマイクロシステム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、幅広い用途が考えられる。

固体における高速イオン伝導の重要な例は、イオン結晶の表面空間電荷層です。このような伝導は、Kurt Lehovecによって初めて予測されました。^[22]イオン伝導性に関する境界条件の重要な役割は、LiI-Al ₂ O _{3 2相系で異常に高い伝導性を発見したCC Liang} ^[23]によって初めて実験的に発見されました。特定の特性を持つ空間電荷層はナノメートルの厚さであるため、この効果はナノイオニクス (ナノイオニクス-I) に直接関係しています。Lehovec効果は、現代のポータブルリチウム電池や燃料電池で使用されている多数のナノ構造の高速イオン伝導体を作成するための基礎となっています。 2012年には、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^{[24] [25] [26]、不規則な電位緩和における空間電荷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）が可能になった。一例として、} AK Jonscherの「普遍的な」動的応答 につながるイオン輸送と誘電分極の結合プロセスという集団現象の記述が挙げられる。

• プログラム可能なメタライゼーションセル