نانو أيونية

	جزء من سلسلة من الموضوعات حول; ;
	الكترونيات احادية الجزيئة
	; ;
	الكترونيات الحالة الصلبة
	; ; ; ;
	مواضيع ذات صلة
	نانوأيونية; ;
	انظر ايضا; ;

النانوأيونية (بالإنجليزية: Nanoionics) هي دراسة وتطبيق ظواهر العمليات المرتبطة بالنقل الأيوني السريع (إف آي تي) وخصائصها، وآثارها، وآلياتها، في النظم النانومترية ذات الحالة الصلبة بالكامل. تتضمن الموضوعات ذات الأهمية الخصائص الأساسية لأكسيد السيراميك بمقاييس طولية نانومترية، وموصلًا أيونيًا سريعًا (موصل فائق التأين متقدم)/موصلات إلكترونية ذات وصلات متغايرة. تكمن التطبيقات المحتملة في أجهزة كهروكيميائية (أجهزة كهربائية مزدوجة الطبقة) لتحويل الطاقة، والشحنات، والمعلومات، وتخزينها. قُدم مصطلح النانوأيونية ومفهومها (باعتبارها فرعًا جديدًا من العلوم) لأول مرة بواسطة إيه. إل. ديسبوتولي وَفي. آي. نيكولايتشيك (معهد تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة والمواد عالية النقاء، الأكاديمية الروسية للعلوم، تشيرنوغولوفكا) في يناير عام 1992.

يتعامل المجال الفهمي والصناعي متعدد المجالات للحالة الصلبة الأيونية مع ظواهر النقل الأيوني في المواد الصلبة، ويعتبر النانوأيونية تقسيمًا جديدًا له. تحاول النانوأيونية حتى تصف، على سبيل المثال، الانتشار والتفاعلات، في شروط غير مناسبة إلا في المقياس النانوي، مثلًا، في شروط ساحة الجهد غير المنتظم (في المقياس النانوي).

هناك فئتان من الأنظمة النانوية ذات الحالة الصلبة الأيونية ونظامان للنانوأيونية مختلفان جوهريًا: (1) أنظمة نانوية تعتمد على المواد الصلبة ذات الموصلية الأيونية المنخفضة، و(2) أنظمة نانوية تعتمد على الموصلات الفائقة التأين المتقدمة (مثل ألفا يوديد الفضة، ومجموعة روبيديوم يوديد الفضة). تختلف نظم النانوأيونية الأولى والثانية عن بعضها في تصميم الأجهزة الملحقة. إذا دور الحدود في النظم النانوأيونية الأولى هوتهيئة الظروف اللازمة لهجريزات عالية من الشوائب المشحونة (الشواغر والزوائد) في طبقة الشحنة الحيزية المضطربة. ولكن في النظم النانوأيونية الثانية، من الضروري الحفاظ على الهياكل البلورية عالية التوصيل الأيوني للموصلات فائقة التأين المتقدمة في الحدود المتغايرة المرتبة (مطابقة تشابكية). قد تعزز نظم النانوأيونية الأولى إلى حدٍّ كبير (حتى 10⁸ مرة تقريبًا) الموصلية الأيونية الشبيهة ثنائية الأبعاد في المواد ذات البنية النانوية المتماسكة هيكليًا، ولكنها تظل حتى 10³ مرة أصغر نسبيًا من الموصلية الأيونية ثلاثية الأبعاد للموصلات الفائقة التأين المتقدمة.

تستند النظرية الكلاسيكية للانتشار والهجرة في المواد الصلبة إلى فكرة وجود معامل الانتشار وطاقة التنشيط والقدرة الكهروكيميائية. وهذا يعني قبول الانتنطق الأيوني في ساحة الجهد حيث تكون جميع الحواجز بنفس الارتفاع (أي تصريف الجهد المنتظم). على الرغم من الاختلاف الواضح بين كائنات الحالة الصلبة الأيونية والنظم النانوأيونية الأولى والثانية، فإن المشكلة الجديدة الحقيقية للنقل الأيوني السريع وتخزين الطاقة/أوتحويلها لهذه الكائنات (الموصلات الأيونية السريعة) لها أساس مشهجر خاص: ساحة الجهد غير المنتظم على مقياس النانو(مثلًا) الذي يحدد طبيعة استجابة النظام الفرعي للأيونات المتنقلة للتأثير الخارجي النبضي أوالتوافقي، مثل التأثير الضعيف في التحليل الطيفي للعزل الكهربائي (المقاومة الطيفية).

المميزات

تُعرَّف النانوأيونية بشكلٍ لا لبس فيه، كونها فرعًا لفهم النانووتكنولوجيا النانو، من خلال كائناتها الخاصة (البنية النانوية مع تطبيق خاصية النقل الأيوني السريع)، والتوابع (الخصائص، والظواهر، والتأثيرات، وآليات العمليات، والتطبيقات المرتبطة بالنقل الأيوني السريع على مقياس النانو)، والطريقة (تصميم القابلة في النظم النانوية للموصلات الفائقة التأين)، والمعيار (R/L ~1، حيث R هومقياس طول هيكل الجهاز، وL هوالطول المميز الذي تتغير فيه الخصائص والمميزات والبارامترات الأخرى المرتبطة بالنقل الأيوني السريع بشكل كبير).

تربط خارطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات (آي تي آر إس) ذواكر تبديل المقاومة القائمة على النانوأيونية إلى فئة «أجهزة البحث الناشئة» («الذاكرة الأيونية»). قد تُسمى منطقة التقاطع الوثيق للإلكترونيات النانوية والنانوأيونية «الإلكترونيات النانوأيونية». الآن، تُشكَّل رؤية الإلكترونيات النانوية المستقبلية المقيدة فقط من خلال الحدود النهائية الأساسية في الأبحاث المتقدمة. تُعد الحدود الفيزيائية الأخيرة للحساب أبعد بكثير من المنطقة التي حُققت حاليًا (10¹⁰ سم^-2، 10¹⁰ هرتز). كان السؤال عن نوع المبدّلات المنطقية التي يمكن استخدامها عند إجراء التكامل بين ما يقارب النانومتر وجزء من النانومتر في مجال بيتا هوالموضوع المطروح بالعمل، بينما لم يُستخدم مصطلح «الإلكترونيات النانوأيونية» بعد. تعمل ميكانيكا الكم على تقييد التكوينات الإلكترونية المميزة بواسطة التأثير النفقي في مجال تيرا. للتغلب على حد كثافة البت البالغ 10¹² سم^-2، يجب استخدام التكوينات الذرية والأيونية التي تحقق شرط البعد المميز L <2 نانومتر في مجال المعلومات والمواد ذات الكتلة الفعالة من حاملات المعلومات *m الأكبر بكثير من تلك الإلكترونية المطلوبة:

m* =13 m_e at L =1 nm, m* =53 m_e (L =0,5 nm) and m* =336 m_e (L =0,2 nm).

قد تعتمد الأجهزة صغيرة الحجم المستقبلية النانوأيونية على النقل الأيوني السريع في مقياس النانو، كما ذُكر في البداية.

أمثلة

من الأمثلة على الأجهزة النانوأيونية المكثفاتُ الفائقة ذات الحالة الصلبة المرتبطة بالنقل الأيوني السريع في الوصلات الوظيفية المتغايرة (المكثفات الفائقة النانوأيونية)، وبطاريات الليثيوم وخلايا الوقود بأقطاب نانوية، ومبدّلات نانوية بموصلات مُكمّمة على أساس موصلات أيونية سريعة. هذه الأجهزة متوافقة بشكلٍ جيد مع الإلكترونيات النانوية ذات الجهد الفرعي والجهد الفرعي العميق ويمكنها اكتشاف تطبيقات واسعة لها، مثل تطبيقات مصادر الطاقة الصغيرة المستقلة، وتحديد الهوية بموجات الراديو، والنظم الكهروميكانيكية الصغرى (الميمس)، والغبار الذكي، والخلايا النانوية، والنظم الدقيقة والنانوية الأخرى، ومصفوفات خلية الذاكرة القابلة لإعادة التشكيل.

إحدى الحالات المهمة للتوصيل الأيوني السريع في الحالات الصلبة هي تلك الموجودة في طبقة الشحنة الحيزية للبلورات الأيونية. تنبأ كورت ليهوفيك بهذه الموصلية لأول مرة. اكتُشف دور مهم لشروط وضع الحدود في ما يتعلق بالموصلية الأيونية لأول مرة بواسطة سي. سي. ليانغ، الذي عثر التوصيل عالي المستوى بشكلٍ غير مألوف في نظام LII-Al2O3 ثنائي الطور. نظرًا إلى حتى طبقة الشحنة الحيزية ذات الخصائص المحددة تكون بثخانة نانومتر، فإن التأثير مرتبط مباشرةً بالنانوأيونية (نظم النانوأيونية الأولى). أصبح مفهوم ليهوفيك أساسًا لإنشاء الكثير من الموصلات الأيونية السريعة ذات البنية النانوية التي تُستخدم في بطاريات الليثيوم المحمولة الحديثة وخلايا الوقود. في الآونة الأخيرة، طُور نهج ديناميكي ذوبنية أحادية البُعد في الأنظمة النانوية للحصول على وصف مشروح لعمليات تكوين الشحنة الحيزية وعمليات التراخي في تصريف الجهد غير المنتظم (معالجة مباشرة) وتفسير خصائص الأنظمة النانوية مع النقل الأيوني السريع (معالجة عكسية)، على سبيل المثال، لوصف ظاهرة جماعية: النقل الأيوني المزدوج وعمليات الاستقطاب الكهربائي التي تؤدي إلى الاستجابة الديناميكية «الكاملة» التابعة لـ إيه. كي. جونشر.

مراجع

↑ Despotuli, A.L.; Nikolaichic V.I. (1993). "A step towards nanoionics". Solid State Ionics. 60 (4): 275–278. doi:10.1016/0167-2738(93)90005-N.
^ Yamaguchi, S. (2007). "Nanoionics - Present and future prospects". Science and Technology of Advanced Materials. 8 (6): 503 (free download). Bibcode:2007STAdM...8..503Y. doi:10.1016/j.stam.2007.10.002.
^ C S Sunandana (2015). (الطبعة First). CRC Press. صفحة 529. ISBN . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020.
^ Despotuli, A.L.; Andreeva, A.V.; Rambabu, B. (2005). "Nanoionics of advanced superionic conductors". Ionics. 11 (3–4): 306–314. doi:10.1007/BF02430394.
^ Garcia-Barriocanal, J.; Rivera-Calzada A.; Varela M.; Sefrioui Z.; Iborra E.; Leon C.; Pennycook S. J.; Santamaria1 J. (2008). "Colossal ionic conductivity at interfaces of epitaxial ZrO₂:Y₂O₃/SrTiO₃ heterostructures". Science. 321 (5889): 676–680. Bibcode:2008Sci...321..676G. doi:10.1126/science.1156393. PMID 18669859.
^ H Mehrer (2007). (الطبعة First). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. صفحة 651. ISBN . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020.
^ A D McNaught (1997). (الطبعة 2nd). Blackwell Scientific Publications. صفحة 1622. ISBN . مؤرشف من الأصل في 24 ديسمبر 2019.
^ Bindi, L.; Evain M. (2006). "Fast ion conduction character and ionic phase-transitions in disordered crystals: the complex case of the minerals of the pearceite– polybasite group". Phys Chem Miner. 33 (10): 677–690. Bibcode:2006PCM....33..677B. doi:10.1007/s00269-006-0117-7.
^ Despotuli, A.; Andreeva A. (2015). "Maxwell displacement current and nature of Jonsher's "universal" dynamic response in nanoionics". Ionics. 21 (2): 459–469. arXiv:1403.4818. doi:10.1007/s11581-014-1183-3.
^ Cavin, R.K.; Zhirnov V.V. (2006). "Generic device abstractions for information processing technologies". Solid-State Electronics. 50 (4): 520–526. Bibcode:2006SSEle..50..520C. doi:10.1016/j.sse.2006.03.027.
^ Cerofolini, G.F. (2007). "Realistic limits to computation. I. Physical limits". Appl. Phys. A. 86 (1): 23–29. Bibcode:2007ApPhA..86...23C. doi:10.1007/s00339-006-3670-5.
^ Cerofolini, G.F.; Romano E. (2008). "Molecular electronic in silico". Appl. Phys. A. 91 (2): 181–210. Bibcode:2008ApPhA..91..181C. doi:10.1007/s00339-008-4415-4.
^ Zhirnov, V.V.; Cavin R.K. (2007). "Emerging research nanoelectronic devices: the choice of information carrier". ECS Transactions. 11: 17–28. CiteSeerX = 10.1.1.1019.3697 10.1.1.1019.3697. doi:10.1149/1.2778363.
^ Lloyd, S. (2000). "Ultimate physical limits to computation". Nature. 406 (6799): 1047–1054. arXiv:quant-ph/9908043. Bibcode:2000Natur.406.1047L. doi:10.1038/35023282. PMID 10984064.
^ Chiabrera, A.; Di Zitti, E.; Costa, F.; Bisio, G.M. (1989). "Physical limits of integration and information processing in molecular systems". J. Phys. D: Appl. Phys. 22 (11): 1571–1579. Bibcode:1989JPhD...22.1571C. doi:10.1088/0022-3727/22/11/001.
^ Bate, R. T.; Reed M. A.; Frensley W. R (August 1987). "Nanoelectronics (in Final technical rept., http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA186969 Corporate Author : TEXAS INSTRUMENTS INC DALLAS)". روابط خارجية في |title= (مساعدة)
^ Despotuli, A.L., Andreeva A.V. (2007). "High-value capacitors for 0.5-V nanoelectronics". Modern Electronics. № 7: 24–29. Russian:"Archived copy". مؤرشف من الأصل في 05 نوفمبر 2007. اطلع عليه بتاريخ 13 أكتوبر 2007. صيانة CS1: الأرشيف كعنوان (link) English translation: [1]
^ Maier, J. (2005). "Nanoionics: ion transport and electrochemical storage in confined systems". Nature Materials. 4 (11): 805–815. Bibcode:2005NatMa...4..805M. doi:10.1038/nmat1513. PMID 16379070.
^ Banno, N.; Sakamoto, T.; Iguchi, N.; Kawaura, H.; Kaeriyama, S.; Mizuno, M.; Terabe, K.; Hasegawa, T.; Aono, M. (2006). "Solid-Electrolyte Nanometer Switch". IEICE Transactions on Electronics. E89-C(11) (11): 1492–1498. Bibcode:2006IEITE..89.1492B. doi:10.1093/ietele/e89-c.11.1492. مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020.
^ Waser, R.; Aono, M. (2007). "Nanoionics-based resistive switching memories". Nature Materials. 6 (11): 833–840. Bibcode:2007NatMa...6..833W. doi:10.1038/nmat2023. PMID 17972938.
^ . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020. اطلع عليه بتاريخ 05 أبريل 2020. Invalid |script-title=: missing prefix (مساعدة)
^ Lehovec, K. (1953). "Space-charge layer and distribution of lattice defects at the surface of ionic crystals". Journal of Chemical Physics. 21 (7): 1123–1128. Bibcode:1953JChPh..21.1123L. doi:10.1063/1.1699148.
^ Liang, C. C. (1973). "Conduction Characteristics of the Lithium Iodide-Aluminum Oxide Solid Electrolytes". J. Electrochem. Soc. 120 (10): 1289–1292. doi:10.1149/1.2403248.
^ . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020. اطلع عليه بتاريخ 05 أبريل 2020. Invalid |script-title=: missing prefix (مساعدة)
^ A bot will complete this citation soon. Click here to jump the queue أرخايف:1311.3480.
^ Despotuli, A.; Andreeva A.V. (2016). "Method of uniform effective field in structure-dynamic approach of nanoionics". Ionics. 22 (8): 1291–1298. doi:10.1007/s11581-016-1668-3.

[despotuli1-1] Despotuli, A.L.; Nikolaichic V.I. (1993). "A step towards nanoionics". Solid State Ionics. 60 (4): 275–278. doi:10.1016/0167-2738(93)90005-N.

[2] Yamaguchi, S. (2007). "Nanoionics - Present and future prospects". Science and Technology of Advanced Materials. 8 (6): 503 (free download). Bibcode:2007STAdM...8..503Y. doi:10.1016/j.stam.2007.10.002.

[Sunandana-3] C S Sunandana (2015). (الطبعة First). CRC Press. صفحة 529. ISBN . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020.

[despotuli2-4] Despotuli, A.L.; Andreeva, A.V.; Rambabu, B. (2005). "Nanoionics of advanced superionic conductors". Ionics. 11 (3–4): 306–314. doi:10.1007/BF02430394.

[5] Garcia-Barriocanal, J.; Rivera-Calzada A.; Varela M.; Sefrioui Z.; Iborra E.; Leon C.; Pennycook S. J.; Santamaria1 J. (2008). "Colossal ionic conductivity at interfaces of epitaxial ZrO₂:Y₂O₃/SrTiO₃ heterostructures". Science. 321 (5889): 676–680. Bibcode:2008Sci...321..676G. doi:10.1126/science.1156393. PMID 18669859.

[Mehrer-6] H Mehrer (2007). (الطبعة First). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. صفحة 651. ISBN . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020.

[McNaught-7] A D McNaught (1997). (الطبعة 2nd). Blackwell Scientific Publications. صفحة 1622. ISBN . مؤرشف من الأصل في 24 ديسمبر 2019.

[8] Bindi, L.; Evain M. (2006). "Fast ion conduction character and ionic phase-transitions in disordered crystals: the complex case of the minerals of the pearceite– polybasite group". Phys Chem Miner. 33 (10): 677–690. Bibcode:2006PCM....33..677B. doi:10.1007/s00269-006-0117-7.

[9] Despotuli, A.; Andreeva A. (2015). "Maxwell displacement current and nature of Jonsher's "universal" dynamic response in nanoionics". Ionics. 21 (2): 459–469. arXiv:1403.4818. doi:10.1007/s11581-014-1183-3.

[10] Cavin, R.K.; Zhirnov V.V. (2006). "Generic device abstractions for information processing technologies". Solid-State Electronics. 50 (4): 520–526. Bibcode:2006SSEle..50..520C. doi:10.1016/j.sse.2006.03.027.

[11] Cerofolini, G.F. (2007). "Realistic limits to computation. I. Physical limits". Appl. Phys. A. 86 (1): 23–29. Bibcode:2007ApPhA..86...23C. doi:10.1007/s00339-006-3670-5.

[12] Cerofolini, G.F.; Romano E. (2008). "Molecular electronic in silico". Appl. Phys. A. 91 (2): 181–210. Bibcode:2008ApPhA..91..181C. doi:10.1007/s00339-008-4415-4.

[zhirnovcalvin-13] Zhirnov, V.V.; Cavin R.K. (2007). "Emerging research nanoelectronic devices: the choice of information carrier". ECS Transactions. 11: 17–28. CiteSeerX = 10.1.1.1019.3697 10.1.1.1019.3697. doi:10.1149/1.2778363.

[14] Lloyd, S. (2000). "Ultimate physical limits to computation". Nature. 406 (6799): 1047–1054. arXiv:quant-ph/9908043. Bibcode:2000Natur.406.1047L. doi:10.1038/35023282. PMID 10984064.

[15] Chiabrera, A.; Di Zitti, E.; Costa, F.; Bisio, G.M. (1989). "Physical limits of integration and information processing in molecular systems". J. Phys. D: Appl. Phys. 22 (11): 1571–1579. Bibcode:1989JPhD...22.1571C. doi:10.1088/0022-3727/22/11/001.

[16] Bate, R. T.; Reed M. A.; Frensley W. R (August 1987). "Nanoelectronics (in Final technical rept., http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA186969 Corporate Author : TEXAS INSTRUMENTS INC DALLAS)". روابط خارجية في |title= (مساعدة)

[17] Despotuli, A.L., Andreeva A.V. (2007). "High-value capacitors for 0.5-V nanoelectronics". Modern Electronics. № 7: 24–29. Russian:"Archived copy". مؤرشف من الأصل في 05 نوفمبر 2007. اطلع عليه بتاريخ 13 أكتوبر 2007. صيانة CS1: الأرشيف كعنوان (link) English translation: [1]

[18] Maier, J. (2005). "Nanoionics: ion transport and electrochemical storage in confined systems". Nature Materials. 4 (11): 805–815. Bibcode:2005NatMa...4..805M. doi:10.1038/nmat1513. PMID 16379070.

[19] Banno, N.; Sakamoto, T.; Iguchi, N.; Kawaura, H.; Kaeriyama, S.; Mizuno, M.; Terabe, K.; Hasegawa, T.; Aono, M. (2006). "Solid-Electrolyte Nanometer Switch". IEICE Transactions on Electronics. E89-C(11) (11): 1492–1498. Bibcode:2006IEITE..89.1492B. doi:10.1093/ietele/e89-c.11.1492. مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020.

[20] Waser, R.; Aono, M. (2007). "Nanoionics-based resistive switching memories". Nature Materials. 6 (11): 833–840. Bibcode:2007NatMa...6..833W. doi:10.1038/nmat2023. PMID 17972938.

[21] . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020. اطلع عليه بتاريخ 05 أبريل 2020. Invalid |script-title=: missing prefix (مساعدة)

[22] Lehovec, K. (1953). "Space-charge layer and distribution of lattice defects at the surface of ionic crystals". Journal of Chemical Physics. 21 (7): 1123–1128. Bibcode:1953JChPh..21.1123L. doi:10.1063/1.1699148.

[23] Liang, C. C. (1973). "Conduction Characteristics of the Lithium Iodide-Aluminum Oxide Solid Electrolytes". J. Electrochem. Soc. 120 (10): 1289–1292. doi:10.1149/1.2403248.

[24] . مؤرشف من الأصل في 05 أبريل 2020. اطلع عليه بتاريخ 05 أبريل 2020. Invalid |script-title=: missing prefix (مساعدة)

[25] A bot will complete this citation soon. Click here to jump the queue أرخايف:1311.3480.

[26] Despotuli, A.; Andreeva A.V. (2016). "Method of uniform effective field in structure-dynamic approach of nanoionics". Ionics. 22 (8): 1291–1298. doi:10.1007/s11581-016-1668-3.