(Phys.org)—La nanoionique est un sous-domaine de la nanotechnologie qui s'intéresse aux phénomènes à l'échelle nanométrique impliquant la migration d'ions dans des matières solides. Jusqu'ici, cependant, le confinement des courants ioniques sur des chemins prédéfinis d'une manière ressemblant au mouvement des électrons dans les fils des conducteurs électroniques n'a pas été exploré.

À cette fin, Jonathan Berson, Doron Burshtain, Assaf Zeira, Alexandre Yoffe, Rivka Maoz, et Jacob Sagiv du Département des matériaux et interfaces de l'Institut des sciences Weizmann en Israël ont développé une approche de validation de principe pour créer des motifs de surface conducteurs d'ions sur mesure en utilisant la lithographie constructive et des monocouches auto-assemblées d'organosilane, applicable à divers ions métalliques. Leur travail est rapporté dans Matériaux naturels .

La lithographie constructive implique une réaction d'oxydation électrochimique entre une pointe de microscope à force atomique (AFM) conductrice et les molécules attachées à une plaquette de silicium, généralement sous forme de monocouches. Cela permet un niveau de précision dans lequel on peut sélectionner quelles molécules subiront la réaction et lesquelles ne le feront pas. Dans cette étude, monocouches d'oganosilane composées de Si-Cl 3 ancres, un squelette de carbone aliphatique, et un méthyle (-CH 3 ) groupe terminal sont sélectivement oxydés par lithographie constructive. Le groupe terminal méthyle est oxydé en un groupe terminal acide carboxylique (-COOH), sans changer la colonne vertébrale et l'ancrage.

La lithographie constructive permet la création de points limites nets. Ces frontières se situent entre les régions de surface peuplées de molécules à terminaison méthyle et celles peuplées de molécules à terminaison acide carboxylique. Des électrodes d'un métal donné peuvent être placées sur les régions de surface à terminaison acide carboxylique au niveau de ces sites limites, mettant ainsi en place une voie carboxylique pour le voyage des ions.

Pour le système modèle initial de cette recherche, Berson et Burshtain, et al. électrodes d'argent (Ag) placées sur les sites limites, puis a couru d.c. tension à travers les électrodes, produisant ainsi des ions d'argent mobiles. Leur objectif était de voir si l'Ag ⁺ les ions se coordonneraient avec les acides carboxyliques déprotonés, traversant essentiellement la longueur du chemin spécifié de l'anode à la cathode sans l'utilisation d'un électrolyte ajouté.

La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a vérifié que le terminal ciblé -CH 3 groupes convertis en -COOH sans perturber les autres segments de la monocouche. Par ailleurs, Les lectures FTIR ont été prises sur une période de temps tandis qu'un courant continu. une tension de 1 mV à 100 mV a été appliquée. Cela a confirmé que -COOH a perdu son proton en formant le sel de carboxylate d'argent. XPS a confirmé que les ions argent suivaient la voie du carboxylate située entre les deux électrodes et n'interagissaient pas avec les molécules à terminaison méthyle. Des études de résistance ont élucidé le transport des ions à travers des canaux de différentes longueurs et largeurs.

La même procédure a été suivie avec des électrodes en titane au lieu d'électrodes en argent. Berson et Burshtain et al. regardé un système avec des électrodes en titane servant d'anode et de cathode, et un système combiné avec des électrodes en argent et en titane. FTIR a confirmé la présence de Ti ⁴⁺ à la surface du système avec des électrodes en titane. Le système d'électrodes mixtes a montré qu'un cation peut remplacer l'autre sur la surface du carboxylate tout en rivalisant pour le –COO disponible ^- des sites.

Les tracés d'Arrhenius du système d'argent et de titane indiquent qu'un mécanisme de conduction similaire se produit dans le système à métaux mixtes par rapport au système à un seul métal. Il y a une différence entre l'énergie d'activation du titane par rapport à l'argent, que les auteurs pensent est probablement due à Ti ⁴⁺ coordination à quatre –COO ^- molécules par rapport à Ag ⁺ coordonner à un. Par ailleurs, Ti ⁴⁺ la liaison prend un caractère légèrement plus covalent que Ag ⁺ .

Alors que les études susmentionnées ont été menées à grande échelle, l'étape suivante consistait à voir si le système modèle fonctionnerait avec des configurations de nano-canaux. Les auteurs ont construit un système avec deux macro-canaux séparés par un nano-canal avec des électrodes d'argent résidant dans les macro-canaux et un autre système dans lequel les électrodes d'argent étaient de chaque côté d'un nano-canal.

Les calculs de résistance et les images AFM ont indiqué que le système avec deux macro-canaux séparés par un nano-canal se comportait de manière similaire aux macro-canaux. Cependant, lorsque les électrodes ont été placées sur les limites du nano-canal, un mince film d'argent accumulé le long du canal au lieu d'à la cathode, probablement en raison de la densité de flux plus élevée des ions dans le système et donc de plus de possibilités de nucléation et de croissance subséquente des filaments d'argent le long de la voie des nano-canaux.

Cette recherche démontre la capacité d'adapter des canaux conducteurs conducteurs d'ions en utilisant la lithographie constructive sur des monocouches d'alkylsilane. Cette technique est polyvalente en ce que les canaux conducteurs peuvent accueillir différents ions mobiles produits en utilisant différents métaux pouvant être utilisés pour les électrodes.

Selon le Dr Sagiv, "Cette recherche démontre la réalisation possible d'un type conceptuellement nouveau de matériau ionique solide générique qui peut être formé de canaux conducteurs d'ions avec des longueurs prédéfinies, largeurs, et trajectoires, adapté au transport planifié de différents cations sélectionnés sur des distances couvrant des dimensions nanométriques à macroscopiques. il dit que les implications plus larges de cette recherche "devraient permettre la fabrication de circuits ioniques conçus par tâche et de commutateurs ioniques rapides applicables dans les futurs dispositifs basés sur de nouveaux modes de traitement et de stockage de l'information".

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