Знание-содержащие и интеллектуальные материалы – одна из действительностей окружающего мира. Подход «от передовых материалов к передовым приборам» – новый шаг в разработке объектов нано и микро системной техники (НМСТ) на основе передовых суперионных проводников (ПСИП) – кристаллов с рекордно высоким уровнем ионной проводимости, обеспечивающих быстрый ионный транспорт (БИТ).
Основной причиной БИТ в объеме ПСИП является специфическая кристаллическая структура с каналами проводимости которая нарушается на произвольных гетерограницах. Это ведет к подавлению быстрого ионного транспорта в наносистемах проводников и значительному понижению частотно-емкостных характеристик суперконденсаторов на основе гетероструктур ПСИП/ИЭ. Многие объекты НМСТ должны быть автономными, что предполагает наличие собственных источников электропитания, в том числе на основе использования БИТ. Поиски в области новых функциональных микросточников с высокими значениями плотности энергии и мощности необходимо вести на основе фундаментальных знаний об атомной структуре и свойствах индивидуальных гетерограниц – неотъемлемых составляющих объектов НМСТ. В работе показано, что кристаллоинженерия гетерограниц в ПСИП – основа создания функциональных структур и приборов нового класса, таких как наноионные суперконденсаторы (НСК) с высокими значениями плотности энергии и мощности.
Разработан общий алгоритм поиска ПСИП/электрод когерентных гетерограниц, который включает: выбор пар решеточно-сопряженных материалов; выбор взаимной ориентации преимущественных по симметрии когерентных гетерограниц на основе экстремума энергии, определяемого симметрией; термодинамический анализ возможности протекания твердофазных химических реакций в выбранных системах; выбор на основе термодинамического анализа химически индифферентных электродов; кристаллографический анализ расположения каналов быстрого ионного транспорта передовых суперионных проводников относительно гетерограницы.
Теоретические результаты были применены для выбора пар материалов ПСИП-ИЭ и граничного дизайна гетероструктур для создания НСК. Приведен ряд экспериментальных результатов по исследованию емкостных свойств гетероструктур со специальным граничным дизайном.
Всесторонний контроль граничной атомной структуры, включая выбор пар когерентно сопряженных материалов, синтез гетероструктур в условиях сверхвысокого вакуума (10-9 мм рт.ст.), создание острых текстур, применение внешних полей определенной симметрии, понимание и учет внутренних процессов самоорганизации в наносистемах ПСИП, позволит синтезировать гетеропереходы с БИТ и реализовать на практике высокий потенциал когерентных гетероструктур, необходимых для создания высоко эффективных новых твердотельных ионных материалов и приборов для НМСТ.
Авторы: А.В. Андреева, А.Л. Деспотули; Институт проблем технологии микроэлектроники РАН, Черноголовка
Области применения Кристаллоинженерия гетерограниц в наносистемах передовых суперионных проводников
