基于強(qiáng)耦合小尺寸金納米棒的光信息存儲介質(zhì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大容量信息存儲介質(zhì)，特別涉及超高密度光信息存儲介質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光信息存儲介質(zhì)，如CD光盤、DVD光盤，由于具有存儲數(shù)據(jù)量大、使用便利、數(shù)據(jù)永 久保存等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會的文化、經(jīng)濟(jì)及軍事等領(lǐng)域。隨著光子和量子數(shù)據(jù)存 儲技術(shù)、三維體存儲技術(shù)、近場光學(xué)技術(shù)、光學(xué)集成技術(shù)以及海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，光 信息存儲技術(shù)有望成為本世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的支柱技術(shù)之一。
[0003] 光信息存儲的原理是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式來存儲信息。通常借助激光將轉(zhuǎn)換后的 二進(jìn)制數(shù)刻錄在具有反射能力的碟片上，產(chǎn)生凹點(diǎn)或小坑。為了識別數(shù)據(jù)，可規(guī)定刻出的小 坑代表二進(jìn)制數(shù)" 1"，而空白則代表二進(jìn)制數(shù)"〇"。在讀取數(shù)據(jù)時，激光在小坑處不被反射， 代表" 1"，而在空白處被反射，代表"〇"，通過電腦可以將讀取的二進(jìn)制代碼還原成原來的 信息。在寫讀過程中光盤在光驅(qū)中高速轉(zhuǎn)動，激光頭則在電機(jī)的控制下沿徑向移動，于是光 盤中的數(shù)據(jù)就源源不斷地被讀取出來。與CD光盤比較，DVD光盤的凹坑更小，且部分采用 螺旋儲存凹坑使得坑與坑的間距更小，因此獲得更高的存儲密度。一般DVD光盤存取數(shù)據(jù) 信息的坑點(diǎn)非常緊密，最小凹坑長度僅為〇. 4 μm，相鄰坑點(diǎn)的間距離僅為CD光盤的50%， 且相鄰軌距只有0. 74 μ m。目前，市面上出現(xiàn)了不同容量的DVD光盤，直徑為120mm的DVD 光盤單面容量為4. 7GB，雙面容量為9. 4GB。如果改成雙面雙層，則容量可達(dá)18GB。因此，標(biāo) 稱容量為5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盤系列分別對應(yīng)于單、 雙、多層光盤。由于光盤與光盤機(jī)配套要求，DVD光盤的價格隨容量上升而升高。
[0004] 另一方面，激光加工的最小光斑直徑與所用激光的波長密切相關(guān)。因此，縮短激光 波長可以獲得更小的光斑直徑。傳統(tǒng)DVD光盤采用波長為650nm的紅色激光來寫入和讀取 數(shù)據(jù)，而目前較為先進(jìn)的DVD光盤主要采用波長為405nm藍(lán)色激光，極大地提高了光盤的存 儲容量，能夠在一張普通DVD碟片上實(shí)現(xiàn)25GB的容量，如果采用雙層則可達(dá)到50GB的容 量，分別為現(xiàn)有DVD光盤容量的5至10倍。盡管如此，這種大容量DVD光盤仍然難以滿足 目前對超大容量信息存儲的巨大需求，例如治安和交通監(jiān)控、衛(wèi)星云圖、海量計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)等每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極其巨大，而這些數(shù)據(jù)還必須保存一定時間以備調(diào)用。此外，如今蓬 勃發(fā)展的高清電影、3D游戲和超大容量數(shù)字圖書等也迫切需要超大容量信息存儲。
[0005] 解決上述超大容量數(shù)據(jù)存儲難題的途徑有多種，其中澳大利亞科學(xué)家于2009年 提出的基于金納米棒（gold nanorod，GNR)的五維復(fù)用光信息存儲被認(rèn)為是最具前景的技 術(shù)之一?；诮鸺{米棒（代表信息"1"）被激光熔化成金納米球（代表信息"0"）后失去 雙光子焚光（Two-photon luminescence, TPL)響應(yīng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了波長（維數(shù)1)、偏振（維 數(shù)1)和三維空間（維數(shù)3)復(fù)用的光信息存儲技術(shù)，可以在同一記錄體積中存儲多個可單 獨(dú)尋址模式，極大地提高了存儲密度。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于作為存儲介質(zhì)的金納米棒/ PVA薄膜的光學(xué)特性，即對波長、偏振和三維空間敏感，在五維復(fù)用光信息存儲中表現(xiàn)為記 錄和讀出的正交性（無串?dāng)_），在每個維數(shù)上可以提供多個記錄信道，同時存儲介質(zhì)在使用 環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定且在讀出數(shù)據(jù)時不被損壞。
[0006] 上述五維復(fù)用光信息存儲介質(zhì)是由多層金納米棒/PVA薄膜堆棧而成的，薄膜之 間由透明壓敏膠層間隔。若使用兩個偏振態(tài)，三個波長（波長間隔140ηπι)，10μπι厚的間隔 層，0. 75 μ m的像素尺寸，那么信息存儲密度可達(dá)到I. lTb/cm3,使得單張 DVD光盤的容量提 升至I. 6TB。澳洲科學(xué)家預(yù)測，若采用10層1微米厚的金納米棒/PVA薄膜，三個偏振和三 個波長，同時縮小間隔層的厚度，則單張 DVD光盤的容量可達(dá)到7. 2TB，分別為普通DVD和藍(lán) 光DVD光盤容量的1700倍和280倍。毫無疑問，這種超高密度光信息存儲的實(shí)現(xiàn)有望解決 大數(shù)據(jù)時代所面臨的信息存儲難題。
[0007] 然而，上述五維復(fù)用光信息存儲技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還需要克服以下瓶頸： (1)信息寫入能量過高（達(dá)0. 21~0. 32nJ):存儲介質(zhì)使用直徑為12nm且濃度較低 的大尺寸金納米棒，導(dǎo)致熔化金納米棒所需的激光能量密度較高，產(chǎn)生的熱量容易造成PVA 薄膜的燒蝕，導(dǎo)致存儲質(zhì)量降低、存儲信息串?dāng)_，信息存儲的壽命也直接受到影響。此外，過 高的讀寫能量導(dǎo)致其對讀寫設(shè)備的要求極高，限制了產(chǎn)業(yè)化。
[0008] ⑵復(fù)用波長的間距過大（約140nm):存儲介質(zhì)中使用三種不同長徑比的金納米 棒來實(shí)現(xiàn)波長復(fù)用，其縱向等離子共振波長分別為700、840和980nm。較寬的復(fù)用波長間隔 (HOnm)要求使用690~IOlOnm寬帶可調(diào)諧的飛秒激光作為讀寫光源，極大地增加了寫讀 裝置的成本，同時也限制了復(fù)用波長的個數(shù)。此外，在存儲介質(zhì)制備過程中不但面臨不同長 徑比金納米棒的均勻分散問題，而且還要求不同金納米棒之間沒有相互作用以確保不同金 納米棒對相應(yīng)激光波長的最大響應(yīng)。
[0009] (3)復(fù)用偏振的數(shù)目較少：在確保信息存儲質(zhì)量（即高相似度或低誤碼率）和無 串?dāng)_的情況下，單層存儲薄膜僅能實(shí)現(xiàn)2個偏振復(fù)用（即0°和90° )，這與無耦合金納米 棒雙光子熒光的偏振依賴關(guān)系（cos4 Θ )和過高的信息寫入能量密切相關(guān)。
[0010] (4)像素尺寸較大：這與存儲介質(zhì)中使用的金納米棒尺寸較大、濃度較低有關(guān)。 [0011] (5)相鄰存儲層的間隔較大：由于信息寫入能量較大（0.21~0.32nJ)，金納米棒 熔化過程中產(chǎn)生的熱量較多，相鄰存儲層之間采用了 IOym厚的透明壓敏膠作為隔離層， 這對制膜技術(shù)的挑戰(zhàn)性極高。一方面由于存儲層和隔離層材料不同，增加了制膜難度；另一 方面，激光寫讀時因堆砌薄膜厚度較大必須依次提高激光能量20%/層以滿足寫讀要求， 導(dǎo)致膜完好性降低、圖像之間的串?dāng)_增加。
[0012] (6)不能實(shí)現(xiàn)多次擦寫：即很難實(shí)現(xiàn)擦去已有數(shù)據(jù)，再寫入新數(shù)據(jù)，也就是說不能 實(shí)現(xiàn)激光能量復(fù)用。
[0013] 由于存在上述問題，雖然金納米棒薄膜是一種非常有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超高密度 光信息存儲介質(zhì)，但是目前在產(chǎn)業(yè)化方面仍然沒