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 nanométricos de estado sólido . Los temas de interés incluyen propiedades fundamentales de cerámicas de óxido a escalas de longitud nanométrica y heteroestructuras de conductores de iones rápidos ( conductores superiónicos avanzados )/conductores electrónicos . [2] Las aplicaciones potenciales están en dispositivos electroquímicos (dispositivos eléctricos de doble capa ) para la conversión y almacenamiento de energía , carga e información. El término y el concepto de nanoiónica (como una nueva rama de la ciencia) fueron introducidos por primera vez por AL Despotuli y VI Nikolaichik (Instituto de Tecnología 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 del estado sólido , que trata de los fenómenos de transporte iónico en sólidos, considera a 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).
Existen dos clases de nanosistemas iónicos de estado sólido y dos nanoiónicos fundamentalmente diferentes: (I) nanosistemas basados en sólidos con baja conductividad iónica, y (II) nanosistemas basados en conductores superiónicos avanzados (por ejemplo, alfa– AgI , familia de yoduro de plata y rubidio ). [4] Los nanoiónicos-I y nanoiónicos-II difieren entre sí en el diseño de las interfaces. El papel de los límites en los nanoiónicos-I es la creación de condiciones para altas concentraciones de defectos cargados (vacantes e intersticiales) en una capa de carga espacial desordenada. Pero en los nanoiónicos-II, es necesario conservar las estructuras cristalinas conductoras altamente iónicas originales de los conductores superiónicos avanzados en heterolímites ordenados (emparejados en red). El nanoiónico-I puede mejorar significativamente (hasta ~10 8 veces) la conductividad iónica tipo 2D en materiales nanoestructurados con coherencia estructural, [5] pero sigue siendo ~10 3 veces más pequeña en relación con la conductividad iónica 3D de los conductores superiónicos avanzados.
La teoría clásica de la 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 de iones saltando en el paisaje de potencial donde todas las barreras tienen la misma altura (alivio de potencial uniforme). A pesar de la diferencia obvia entre los objetos de la ionología en estado sólido y la nanoionología I, II, el verdadero nuevo problema del transporte de iones rápidos y el almacenamiento de carga/energía (o transformación) para estos objetos ( conductores de iones rápidos ) tiene una base común especial: paisaje de potencial no uniforme a escala nanométrica [8] (por ejemplo) que determina el carácter de la respuesta del subsistema de iones móviles a un impulso o influencia externa armónica, por ejemplo, una influencia débil en la espectroscopia dieléctrica (espectroscopia de impedancia). [9]
Al ser una rama de la nanociencia y la nanotecnología , la nanoiónica se define inequívocamente por sus propios objetos (nanoestructuras con FIT), materia (propiedades, fenómenos, efectos, mecanismos de procesos y aplicaciones conectados con FIT a nanoescala), método (diseño de interfaz en nanosistemas de conductores superiónicos) y el 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 conectados con FIT cambian drásticamente).
La Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores (ITRS) relaciona las memorias de conmutación resistivas 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 había llamado nanoeliónica (1996). Ahora, la visión de la nanoelectrónica futura restringida únicamente por límites últimos fundamentales se está formando en la investigación avanzada. [10] [11] [12] [13] Los límites físicos últimos para la computación [14] están muy lejos de la región alcanzada actualmente (10 10 cm −2 , 10 10 Hz). ¿Qué tipo de interruptores lógicos podrían usarse en la integración cercana a la escala de peta nm y sub-nm? La pregunta era el tema ya en [15] , donde el término "nanoelectrónica" [16] aún no se usaba. La mecánica cuántica restringe las configuraciones electrónicas distinguibles por el efecto de tunelización a escala tera. Para superar el límite de densidad de bits de 10 12 cm −2 , se deben utilizar en el dominio de la información configuraciones atómicas y de iones con una dimensión característica de L < 2 nm y se requieren materiales con una masa efectiva de portadores de información m* considerablemente mayor que 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 corto pueden ser nanoiónicos, es decir, basados en el transporte de iones rápidos a escala nanométrica, como se afirmó por primera vez en. [1]
Los ejemplos de dispositivos nanoiónicos son supercondensadores de estado sólido con transporte de iones rápidos en las heterojunciones funcionales ( supercondensadores nanoiónicos ), [4] [17] baterías de litio y celdas de combustible con electrodos nanoestructurados, [18] nanointerruptores con conductividad cuantificada sobre la base de conductores de iones rápidos [19] [20] (ver también memristores y celda de metalización programable ). Estos son muy compatibles con la nanoelectrónica de subvoltaje y subvoltaje profundo [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 da en la capa de carga espacial superficial de los cristales iónicos. Dicha 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 conducción anómalamente alta en el sistema bifásico LiI-Al 2 O 3 . Debido a que una capa de carga espacial con propiedades específicas tiene un espesor nanométrico, el efecto está directamente relacionado con la nanoiónica (nanoionics-I). El efecto Lehovec se ha convertido en la base para la creación de una multitud de conductores de iones rápidos nanoestructurados que se utilizan en baterías de litio portátiles modernas y celdas de combustible . En 2012, se desarrolló un enfoque dinámico-estructural 1D en nanoiónica [24] [25] [26] para una descripción detallada de los procesos de formación y relajación de carga espacial en alivio de potencial irregular (problema directo) e interpretación de características de nanosistemas con transporte de iones rápidos (problema inverso), como ejemplo, para la descripción de un fenómeno colectivo: transporte de iones acoplado y procesos de polarización dieléctrica que conducen a la respuesta dinámica "universal" de AK Jonscher .