專利名稱：電子、光子引發(fā)可逆相變的光記錄介質(zhì)的制作方法
一、本發(fā)明屬光盤存儲技術(shù)領(lǐng)域，是直接重寫或可擦重寫相變光盤記錄介質(zhì)的材料設(shè)計(jì)。
二、傳統(tǒng)可擦重寫相變光盤記錄介質(zhì)相變光盤是否穩(wěn)定可靠，材料是關(guān)鍵。而材料設(shè)計(jì)能否滿足高數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，又取決于記錄介質(zhì)能否在兩個穩(wěn)定態(tài)之間實(shí)現(xiàn)快速可逆相變。迄今為止，相變光盤的材料設(shè)計(jì)都是基于介質(zhì)在激光脈沖的熱誘導(dǎo)下發(fā)生的晶化與非晶化的可逆變化。非晶化過程用液相快淬實(shí)現(xiàn)，晶化過程通過晶核形成、晶粒長大來完成;前者對應(yīng)于記錄介質(zhì)信息的寫入，后者對應(yīng)信息的擦除。對材料的要求是1、光響應(yīng)靈敏度高2、非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性好3、晶化速率快4、兩態(tài)之間的反襯度高為滿足要求1，通常采用硫系元素為基，例如碲(Te)基、硒(Se)基或(TeSe)基。一是由于它是具有二度配位的共價鍵結(jié)構(gòu)，屬欠約束;二是由于它具有孤對電子，孤對電子價帶位于成鍵電子價帶之上，所以孤對電子容易因激發(fā)而使介質(zhì)發(fā)生相結(jié)構(gòu)的變化。
為滿足要求2，需要在硫系元素為基的材料中加入Ⅲ族(如In)、Ⅳ族(如Ge)或Ⅴ族(Sb)等元素，以加強(qiáng)鏈間的聯(lián)結(jié)或變鏈結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定性較強(qiáng)的拓樸網(wǎng)絡(luò)，以加強(qiáng)非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性。
為滿足要求3，在制備過程中還要摻入能起成核或催化作用的元素，以解決增強(qiáng)穩(wěn)定性和提高晶化速率的矛盾。
為滿足要求4，有時還摻入能提高兩態(tài)間反襯度的元素。
這樣配制而成的多元系相變介質(zhì)，處于材料的無定形態(tài)，要付諸使用，還有一系列的問題有待解決。
1、初始化問題介質(zhì)的無定形態(tài)是不穩(wěn)定的，往往會通過結(jié)構(gòu)弛豫向著自由能更低的狀態(tài)過渡。為使介質(zhì)穩(wěn)定在一定的狀態(tài)，要通過初始化過程?；蛘咄ㄟ^晶化過程進(jìn)入晶態(tài)，或者通過玻璃化過程進(jìn)入玻璃態(tài)。記錄介質(zhì)的可逆相變發(fā)生在晶態(tài)與玻璃態(tài)之間(見

圖1a)。一般講來，處于無定形態(tài)的介質(zhì)要經(jīng)過寫擦激光脈沖的十幾次循環(huán)動作，才能進(jìn)入晶態(tài)或玻璃態(tài)。這樣帶來光盤盤機(jī)設(shè)計(jì)的困難和使用的極大不便。
2、玻璃態(tài)的熱穩(wěn)定性愈好，要使它向晶態(tài)轉(zhuǎn)變就愈困難，因而晶化速率就愈慢。增強(qiáng)熱穩(wěn)定性和提高晶化速率的矛盾始終存在。
3、多元系相變介質(zhì)，在晶化過程中往往發(fā)生相分離，兼有原子擴(kuò)散，因而拖長晶化過程。為此在實(shí)際過程中，要求用長橢圓光斑來完成晶化過程，也就是用長脈沖激光來擦除信息，這樣擦除激光和寫入激光不能兼容，增加光盤機(jī)設(shè)計(jì)的難度，并降低系統(tǒng)的可靠性。而且相分離的發(fā)生，會大大降低材料的擦/寫循環(huán)數(shù)。這也就是通常所說的“熱疲勞”問題。
本發(fā)明致力于解決傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)所無法擺脫的上述困難，在完全不同的基礎(chǔ)上建立材料設(shè)計(jì)的新構(gòu)思、新方法，這就是激光的光晶化，以及隨后發(fā)現(xiàn)的光致突發(fā)晶化?；诠庵峦话l(fā)晶化作用的材料，既非碲基，亦非硒基，而是以對激光的響應(yīng)特性為出發(fā)點(diǎn)的二元(或三元)化合物為單元，并以一組這樣的單元組成多元準(zhǔn)共晶系記錄介質(zhì)，這種多元準(zhǔn)共晶介質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中，表現(xiàn)出一系列明顯的特征1、只用一次擦除操作，就可完成初始化過程，(見圖1b)。
2、不存在增強(qiáng)熱穩(wěn)定性和提高晶化速率的矛盾。
介質(zhì)的組分不同，晶化激活能△E和相轉(zhuǎn)變方式指數(shù)n都相差很大。△E大的介質(zhì)玻璃態(tài)的熱穩(wěn)定性好;n大的介質(zhì)相轉(zhuǎn)變速率高，擦除時間短。同類單元組成的介質(zhì)，以符合化學(xué)計(jì)量比的共晶組分△E最大，而且相轉(zhuǎn)變方式指數(shù)n也最高，因而擦除時間最短。
3、多元準(zhǔn)共晶相變介質(zhì)，在晶化過程中，不發(fā)生相分離，亦無原子擴(kuò)散，因而晶化過程很短，只有幾十納秒的量級。為此在實(shí)際過程中，擦除激光脈沖可以和寫入激光脈沖的脈寬兼容，這樣可以縮短擦除時間，提高光盤的數(shù)字傳輸速率，并大大簡化光盤機(jī)光學(xué)單元的設(shè)計(jì)。
綜上所述，證實(shí)本發(fā)明采用新構(gòu)思設(shè)計(jì)的材料能解決傳統(tǒng)材料無法擺脫的困難。
三、多元準(zhǔn)共晶系相變記錄介質(zhì)如上所述，傳統(tǒng)相變記錄介質(zhì)基于激光的熱效應(yīng)，也就是寫入信息時，用高功率、短脈沖激光使介質(zhì)中光照斑點(diǎn)處(以下簡稱介斑)的溫升超過熔點(diǎn)，然后通過液相快淬完成從晶態(tài)到玻璃態(tài)的相轉(zhuǎn)變。擦除信息時，用中功率、長脈寬激光使用介斑的溫升略低于熔點(diǎn)，然后通過晶核形成-晶粒長大的過程返回晶態(tài)。
新設(shè)計(jì)的多元準(zhǔn)共晶系相變記錄介質(zhì)主要基于激光的光效應(yīng)，也就是寫入信息時，用閾值光子能量(
wo)的高功率、短脈寬使介斑的共價鍵斷開，續(xù)而形成長程無序的相結(jié)構(gòu)，這是一種直接固態(tài)相變，勿需熔化成液相。擦除信息時，通過光電子躍遷及復(fù)合，完成原子位置的調(diào)整、鍵角畸變的消失以及從無序到有序的轉(zhuǎn)變。這種快速晶化，勿需成核。圖2示出二元化合物Sb2Se3被電子束引發(fā)的直接晶化過程，圖中左上角是已晶化的部分，右下角是尚未來得及晶化的玻璃態(tài)部分。
用光晶化的時間分辨實(shí)驗(yàn)證明激光引發(fā)的直接晶化過程包括光致突發(fā)晶化作用及隨后的聲子參與弛豫過程，即
光晶化過程=光致突發(fā)晶化+聲參弛豫過程↓↓需時1～2ns幾十納秒在光盤相變的實(shí)際過程中，很難分清哪是激光熱效應(yīng)所起的作用，哪是激光光效應(yīng)所做的貢獻(xiàn)，但從時間譜來看，光效應(yīng)起初始晶化的突發(fā)作用，熱效應(yīng)起完善晶化的彌補(bǔ)作用。隨著激光波長由近紅外(830nm)移向短波，光效應(yīng)愈見明顯，熱效應(yīng)逐漸減退。
多元準(zhǔn)共晶系相變記錄介質(zhì)舉例1、以下各種二元化合物的任意一種可以形成多元準(zhǔn)共晶系的組合，其光能隙在0.5～4.5eV之間。
ⅠⅡⅢGa2Te3Ga2Se3GeTeAs2Te3As2Se3SnTeIn2Te3In2Se3PbSSb2Te3Sb2Se3ZnSe組合舉例例1(Sb2Te3)i+(GeTe)j+(PbS)k( )/() 多元準(zhǔn)共晶系i＝0-3j＝0-3k＝0-1i≠j≠k例2(In2Te3)i+(Sb2Se3)j+(GeTe)k( )/() 多元準(zhǔn)共晶系i＝0-3j＝0-3k＝0-3例3(In2Te3)i+(Sb2Te3)j+(GeTe)k( )/() 多元準(zhǔn)共晶系i＝0-3j＝0-3k＝0-32、以上任一種多元準(zhǔn)共晶系(X)加入微量摻雜元素(x)摻雜元素金屬元素Cu，Au，Cd，Zn過渡金屬元素Co，Ni，Pd，Pt稀土元素Nd，Sm，Gd，Tb，YXy+x1-y( )/() 多元準(zhǔn)共晶系y＞95%
權(quán)利要求
1.一種在可擦重寫相變光盤記錄介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)激光光致突發(fā)晶化的方法。其特征在于介質(zhì)的激光光晶化可以在幾個納秒的時間內(nèi)突然發(fā)作。然后通過聲子參與的弛豫過程在幾十納秒的時間內(nèi)完成。即光晶化過程=光致突發(fā)晶化(1～2ns)+聲參弛豫過程(幾十ns)。它不像激光熱晶化那樣通過晶核形成、晶粒長大的較長晶化過程。
2.根據(jù)權(quán)利1所述、基于激光光致相變的材料設(shè)計(jì)。其特征在于相變記錄介質(zhì)應(yīng)由幾組二元化合物為基，結(jié)合成光能隙在0.5～4.5eV之間的多元準(zhǔn)共晶系介質(zhì)，它具有能在晶態(tài)與玻璃態(tài)之間引發(fā)可逆相變的特征。(1)以下各種二元化合物的任意一種可以形成多元準(zhǔn)共晶系的組合，其光能隙在0.5～4.5eV之間。Ⅰ Ⅱ ⅢGa2Te3Ga2Se3GeTeAs2Te3As2Se3SnTeIn2Te3In2Se3PbSSb2Te3Sb2Se3ZnSe(2)以上任一種多元準(zhǔn)共晶系(X)加入微量摻雜元素(x)摻雜元素金屬元素 Cu，Au，Cd，Zn過渡金屬元素 Co，Ni，Pd，Pt稀土元素 Nd，Sm，Gd，Tb，YXy+x1-y( )/() 多元準(zhǔn)共晶系y＞95%
3.根據(jù)權(quán)利2所述的材料設(shè)計(jì)，記錄介質(zhì)的初始化可用電子束輻照完成，或用激光的一次擦除完成。
4.一種計(jì)算權(quán)利2中記錄介質(zhì)各組成單元能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度的經(jīng)驗(yàn)質(zhì)勢法，其特征是采用介電函數(shù)的Penn模型對形式因子進(jìn)行修正。
5.一種用短波長激光來減退相變介質(zhì)熱疲勞的方法。因?yàn)殡S著激光波長移向短波，激光光效應(yīng)愈見顯著，熱效應(yīng)逐漸減退。
全文摘要
本發(fā)明屬光盤存儲技術(shù)領(lǐng)域。記錄介質(zhì)的可逆相變發(fā)生在玻璃態(tài)與晶態(tài)之間。寫入信息對應(yīng)介質(zhì)從晶態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變，擦除則相反，技術(shù)上應(yīng)解決的問題是玻璃態(tài)的熱穩(wěn)性即寫入信息能長期保存；寫入后的快擦除即晶化速率應(yīng)盡可能快；相變中的熱疲勞即寫/擦循環(huán)數(shù)應(yīng)盡可能高。本發(fā)明設(shè)計(jì)的材料具有(1)較大光能隙，(2)光致突發(fā)晶化，(3)適用于不同波段。因而能夠較好解決以上難題，并可制成直接重寫數(shù)據(jù)盤用于計(jì)算機(jī)外存，或制成錄相盤作圖像處理專用。
文檔編號G11B7/24GK1074777SQ92100289
公開日1993年7月28日 申請日期1992年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年1月20日
發(fā)明者戎靄倫, 司徒活, 趙晶, 葉倩青, 張維佳, 呂燕伍, 于泓濤, 張新海 申請人:北京航空航天大學(xué)