Light ： 高安全性、多维度光存储介质：纳米结构光激励发光透明玻璃陶瓷

来源：两江科技评论

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撰稿 | 王元生

导读

研究背景

人类文明的传承依赖于海量文字、图片、视频和音频等信息的存储。随着存储信息量日渐庞大，传统存储行业不堪重负，引发了人们对新型存储介质及存储模式的不断探索。目前，传统磁存储正逐渐被能耗更低、容量更大、使用寿命更长的光存储所代替。然而，受制于光学衍射极限及二维存储模式，光存储介质的存储容量难以超越1 TB。

为此，研究人员提出了两种行之有效的解决方案：

其一是利用近/远场超分辨技术克服光学衍射极限；

另一种是利用多路复用技术拓展存储维度。

无论是哪种技术，光与物质在纳米尺度上的相互作用均是实现高容量光存储的前提。有鉴于此，研究人员开发出各种在光作用下发生物理/化学状态改变的光存储纳米材料，如贵金属纳米晶、氧化石墨烯、半导体量子点、稀土离子掺杂纳米晶等。但是，这些材料成本昂贵，制备工艺复杂；而且，纳米晶必须分散于有机基体中形成块材，在长时间激光重复写入/读取过程中有机基体极易因老化、变形而失效，因而实际应用受限。另一方面，作为一类经典的光存储介质——光激励发光材料，自问世以来即受到人们关注，其光存储机制为受激后电子/空穴在基质缺陷中的俘获（写入）和释放（读取）。美国Quantex公司首先证明了该类材料应用于光存储的有效性，并将其应用延伸至布林逻辑运算和联想记忆等。

近年来，借助于激光技术的发展，利用紫外/蓝光激光逐点写入和近红外激光全局扫描读取，光激励发光材料在光存储领域的应用前景更加明朗。但必须指出，其应用于“大容量”光存储还面临挑战——“尺度”与“性能”之间不可调和的矛盾！一方面，光激励发光性能取决于基质中缺陷的深度和浓度，往往需要借助于高温方可在基质中形成浓度较高的深陷阱；而另一方面，高温将导致颗粒粗化，难以实现大容量光存储所需的纳米级分辨率。

创新研究

（a）叠层结构玻璃陶瓷光存储介质构成示意图和实验中光信息编码/解码过程。

（b）利用808 nm近红外激光（功率密度1.3 W/mm²）在三维空间中写入/读取“C”,“A”和“S”的二进制编码（照片为透过750 nm短波通滤波片拍摄所得）。

（c）利用热激励（150 °C）展示在三维空间写入不同层的爱因斯坦头像。

（d）光频复用：利用热激励展示由4种具有不同发光颜色玻璃陶瓷拼接的特定图像。通过热激励展示写入的汉字“吉祥如意”、“福建物质结构研究所”的英文缩写和二维码。

（e）强度复用：改变紫外光的功率，光激励发光强度可调，证明可在不同体像素点引入不同灰度。从加热到拍摄的时间间隔约为3s，从808 nm近红外激光辐照指定点位到拍摄的时间间隔约为1s。
研究发现，基于前驱玻璃热处理的方式，诱导非晶玻璃网络结构弛豫，在玻璃基体中形成了高度有序分布的纳米结构，即尺度为2-7 nm的LiGa5O8:Mn2+纳米晶；由于在刚性玻璃网络中离子迁移率低，LiGa5O8:Mn2+在较低热处理温度下自限性生长，在基质中形成了具有合适深度和浓度的缺陷（如O空位等），因而材料具有良好的光激励发光特性，在一定程度上调和了上述“尺度”与“性能”之间的矛盾。验证性实验表明，基于该具有光激励发光特性的透明光存储介质，可实现三维空间中如图像、二进制代码等数据的紫外光编码和近红外光解码；通过改变激光器光功率调节光激励发光强度，引入光信息强度维，可赋予不同体像素点不同的灰度值；而通过调控Mn2+局域配位环境，光激励发光颜色宽幅可调，实现了光频复用。据估算，这种光存储介质的理论光存储密度可达~130 Tbit/cm³。值得一提的是，由于数据一经编码后，仅能在特定激发条件或是高热环境下方可解码，因此该光存储模式的安全等级较高。本研究突破了传统光激励发光材料中难以实现纳米尺度分辨率的瓶颈问题，首次验证了该类材料三维光存储的可行性，可望使光存储容量大幅提升；所研制材料兼备强度/光频复用、安全性高、鲁棒性的特点，且在成本和批量化制备上具有其它光存储材料无法比拟的优势。纵观研究整体，从存储介质到存储模式均有所改进、创新。据悉，本论文的核心成果已提交了中国发明专利申请。 04

作者介绍

王元生 研究员, 博士生导师，中科院福建物构所学术/学位委员会成员。

1982年7月中国科技大学物理系学士；1985年9月中科院固体物理研究所硕士；1989年3月中国科技大学理学博士；1990年9月-1992 年2月，法国国家科研中心热力学与冶金物理化学实验室博士后。

承担了国家基金项目、中英新能源合作项目、国家科技攻关项目、中科院方向性项目、福建省科技重大专项等一批重点研究课题。

主要研究方向：

1. 面向LED/光伏等应用的光功能纳米材料；

2. 纳米光电材料的结构调控与物性研究。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0258-3