CN103778922A - 紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法 - Google Patents

Abstract

紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法涉及相变光盘存储的技术。相变光盘存储密度取决于诱导相变的激光波长，波长越短，存储密度越大，但是当激光波长越短时，信噪比越低，读取信息质量越差。本发明采用248nm的准分子激光器诱导相变材料发生可逆相变，并且达到满足要求的信噪比。该相变材料是Ge、Sb、Te、Sn组成的四元组分存储材料。其化学通式为Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀，该相变材料作为相变光盘的存储介质，可以在激光诱导下实现存储、擦除和读写数据。该发明得到的反射率对比度在15%以上、并且具有更短的结晶时间的方法。实现了紫外激光诱导相变光盘大密度存储。预测将是现有的蓝光DVD存储密度的800倍。

Description

紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法

技术领域：

本发明属于实现相变光盘存储的技术，涉及一种能用于相变存储的相变材料以及短波长的深紫外激光器诱导相变材料可逆相变的技术。具体是发明一种紫外激光诱导相变光盘存储的方法。

背景技术：

光存储是继磁存储之后发展起来的重要信息存储技术，它具有存储密度大、容量大、寿命长、信噪比高、读取速度快等一系列优点，因而在信息技术领域具有广泛的应用前景。迄今为止，光存储技术通过30多年的发展，不仅在技术上获得了重大突破，在商品市场方面也获得了巨大成功，逐渐成为现代信息社会不可或缺的高科技产业，随着人们对大容量存储的需求，进一步提高存储密度，成为重要研究方向。

而由于衍射效应的限制，记录光斑直径为d=0.61λ/NA（λ为入射光的波长，NA为聚焦透镜的数值孔径），因此，采用短波长光源，可以有效提高相变光盘存储密度。目前人们使用的激光器是405nm的蓝光，也就是我们熟知的蓝光光盘。但是研究显示，当激光波长越短时，存储信息的信噪比越低，因而读取信息的质量越差。因此更短波长激光诱导相变光盘相变层发生可逆相变从而有效存储信息成为信息存储技术难以攻克的难题。

基于上述问题，本发明提出发明一种紫外激光诱导相变光盘存储的方法。该方法利用短波长的深紫外激光诱导相变材料发生可逆相变，实现信息的记录和擦除。该方法使用的相变材料是可用于相变光盘存储并且能改善使用短波长导致的信噪比低这一问题的材料。实现了相变光盘的大密度存储。

发明内容：本发明的目的在于提供发明一种紫外激光诱导相变光盘存储的方法，以实现信息的大容量存储。该方法不仅能实现大密度存储，并且达到满足要求的信噪比、具有更快的记录信息和擦除信息的速度。

该发明的原理：可擦重写相变光盘是利用激光作用下存储介质在非晶态和晶态之间发生可逆变化的性质而实现的。存储介质的写入是利用高功率短脉冲激光辐照介质，使光照斑点升温超过熔点后，通过液相快冷形成非晶体而记录信息；信息的擦除则是利用中等功率长脉冲激光辐照介质，使光照斑点温度达到晶化温度而又不超过熔点温度，从而通过晶核形成，晶粒长大的过程而形成晶态。而信息的读出是利用低功率激光，依靠形成的晶态和非晶态反射率对比度的不同进行信息的识别。

相变材料中，Ge₂Sb₂Te₅是被研究最多最成熟的相变材料，具有高速结晶、反复擦写次数高、数据稳定性和保持性好的优点。但目前仍存在结晶温度较低，热稳定性较差等缺点。

为了进一步提高相变光盘存储容量，人们尝试使用短波长激光器诱导相变层发生可逆相变，目前已经将波长缩短到405nm，蓝光光盘已经为我们所用，2010年，Dehui Wan、Hsuenli Chen等人已经在探索利用波长为248nm的深紫外（DUV）KrF激光实现高密度存储。预测容量能达DVD800倍。但是存在信噪比低的问题，使深紫外短波长激光诱导相变光盘相变层发生可逆相变从而有效存储信息成为信息存储技术难以攻克的难题。

鉴于以上所述现有技术的难点，本发明的目的在于提供一种实现相变光盘大密度存储的方法，以实现信息的大容量存储。该方法不仅能实现大密度存储，并且达到满足要求的信噪比、具有更快的记录信息和擦除信息的速度。

紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法，其特征在于：它是利用248nm的准分子激光器诱导由Ge、Sb、Te、Sn组成的四元组分存储材料发生可逆相变。

进一步，所使用的激光器脉宽为30ns，单脉冲输出，激光器能量为激光能量在75mJ～268mJ、聚焦光斑尺寸为2.25cm²辐照相变材料。

进一步，所述四元组分存储材料，化学通式为Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀，其中1≤x＜20。

进一步，所述的薄膜材料为采用磁控溅射双靶共溅射法在氧化硅基底上制备Ge₂Sb₂Te₅掺Sn薄膜的材料，背底真空为≤1×10^-4Pa，溅射时的氩气气压为0.5Pa，Ar₂流量为20sccm，溅射时间7-10min，控制Ge₂Sb₂Te₅靶材的溅射功率为直流30W，控制Sn靶的溅射功率在射频3W-6W之间。

所得到溅射薄膜为非晶相，经过激光辐照后薄膜变为晶相，反射率测试达到满足相变材料要求的≥15%。

为实现上述目的，一种紫外激光诱导相变光盘存储的方法,其特征在于：本发明所使用的激光器是248准分子激光器，光学平台采取扩束加掩膜的方法设立。调整准分子激光器的参数，单脉冲输出，脉宽为30ns、激光能量在75mJ～268mJ、聚焦光斑尺寸为2.25cm²辐照相变材料。

所述相变材料是Ge、Sb、Te、Sn组成的四元组分存储材料。其化学通式为Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀，其中1≤x＜20。本发明化学通式元素右下角下标代表元素摩尔比（以下实例中相变材料的成分按实际EDS所测出的原子成分出现），且所述相变材料在激光诱导下可以发生可逆相变，具有更快的结晶速度。

本发明所使用的薄膜Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀采用双靶（Sn靶以及Ge₂Sb₂Te₅靶材）磁控溅射在氧化硅衬底上并充N₂气的方法获得，通过控制两个靶材靶位电源功率实现各组分原子百分比含量的调节。而溅射所需的Sn靶以及Ge₂Sb₂Te₅靶材可以通过物理气象沉积、化学气相沉积、电镀、溶胶凝胶、或金属有机物沉积手段制备。

本发明中使用的Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀薄膜的成分结构测试使用EDS。测定各元素具体成分。

本发明中被准分子激光辐照后晶化了的Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀薄膜以及未辐照的Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀薄膜采用XRD测试手段测试其结构类型。证明激光诱导相变材料发生了非晶态到晶态的转变。后续使用分光计测试晶态和非晶态的Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀薄膜在不同波段的反射率，进而计算被紫外激光诱导相变的相变材料的反射率对比度。

附图说明：

图1、激光诱导相变实验系统装置示意图

图2、（a）非晶态的Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀薄膜以及44.4mJ/cm2的激光能量辐照薄膜晶面标注图（b）激光诱导Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀发生相变的XRD结构图（不同能量密度晶面标注如图2（a））

图3、非晶态Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀薄膜与激光辐照后晶态反射率对比度曲线

具体实施方式：

首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

按照图1所示的激光诱导相变实验系统装置示意图。计算机用数据连接线于激光器连接；通过激光器发射激光经由扩束镜组以及掩膜直接作用于相变材料；通过控制激光参数，使相变材料发生可逆相变。

实例一：

步骤一：采用磁控溅射双靶共溅射法在氧化硅基底上制备Ge₂Sb₂Te₅掺Sn薄膜的材料，背底真空为1×10^-4Pa，溅射时的氩气气压为0.5Pa，Ar2流量为20sccm，控制Sn靶和Ge₂Sb₂Te₅靶材的溅射功率分别为射频3W和直流30W，溅射时间7min，制备出的相变薄膜用SEM观测其厚度为60nm，EDS能谱分析表明材料的成分为Sn₈Ge₁₅Sb₂₃Te₅₄。

步骤二：将步骤一中得到的相变薄膜进行XRD测试，非晶胞的出现说明溅射薄膜是非晶薄膜，测试结果如图2（a）所示。进而对该薄膜进行反射率测试，采用分光计测试185nm—400nm波长段的反射率。

步骤三：使用如图1所示的实验装置工作平台的248准分子激光器作为光源，光学平台采取扩束加掩膜的方法设立。调整激光器的参数分别为脉宽30n_s、单脉冲输出、激光能量在75mJ～268mJ、聚焦光斑尺寸为2.25cm²辐照步骤一中溅射的Sn₈Ge₁₅Sb₂₃Te₅₄薄膜，使其发生晶化转变。

步骤四：将步骤三中激光辐照过的Sn₈Ge₁₅Sb₂₃Te₅₄晶化薄膜进行XRD测试，测试结果如图2（b）所示，从图中可以明显看出出现了较明显的（111）、（200）、（220）和（222）特征峰，并且随着辐照激光能量的加大，晶化峰更加尖锐，并且当激光能量增加到200mJ时，（015）晶面上出现了GeTe峰。这表明随着激光能量的增强，相变薄膜得到了更完全的晶化，但是当激光能量增强到268mJ时，XRD测试没有出现晶化峰，但图像显示于步骤一中溅射得到的XRD图像并不完全一样，这是因为当能量过高时，激光辐照后导致薄膜全部融化然后快速冷却后，薄膜还是转变成非晶态薄膜。

步骤五：将步骤三中激光辐照过的Sn₈Ge₁₅Sb₂₃Te₅₄晶化薄膜进行反射率测试，采用分光计测试185nm—400nm波长段的反射率，并通过计算绘制其反射率对比度曲线。反射率对比对C定义为：

其中Rc指的是晶态反射率，Ra指非晶态反射率。反射率对比度曲线如图3所示，由图中可以看出，C≥15%，满足晶态非晶态反射率对比度的要求。实现了大密度存储，并且达到满足要求的信噪比。

实例二：

步骤一：采用磁控溅射双靶共溅射法在氧化硅基底上制备Ge₂Sb₂Te₅掺Sn薄膜的材料，背底真空为1×10^-4Pa，溅射时的氩气气压为0.5Pa，Ar2流量为20sccm，控制Sn靶和Ge₂Sb₂Te₅靶材的溅射功率分别为射频4W和直流30W,溅射时间8min，制备出的相变薄膜用SEM观测其厚度为80nm，EDS能谱分析表明材料的成分为Sn₁₀Ge₁₁Sb₂₂Te₅₇。

步骤二：将步骤一中得到的相变薄膜进行XRD测试，非晶胞的出现说明溅射薄膜是非晶薄膜，测试结果于图2（b）一致，这里不再给出。进而对该薄膜进行反射率测试，采用分光计测试185nm—400nm波长段的反射率。

步骤三：使用如图1所示的实验装置工作平台的248准分子激光器作为光源，光学平台采取扩束加掩膜的方法设立。调整激光器的参数分别为脉宽30n_s、单脉冲输出、激光能量在75mJ～268mJ、聚焦光斑尺寸为2.25cm²辐照步骤一中溅射的Sn₁₀Ge₁₁Sb₂₂Te₅₇薄膜，使其发生晶化转变。

步骤四：将步骤三中激光辐照过的Sn₁₀Ge₁₁Sb₂₂Te₅₇晶化薄膜进行XRD测试，其测试结果于步骤一中的图2（b）一致，表明了满足激光能量的75mJ～268mJ的248紫外激光能成功诱导Sn₁₀Ge₁₁Sb₂₂Te₅₇相变薄膜材料发生晶化。

步骤五：将步骤三中激光辐照过的Sn₁₀Ge₁₁Sb₂₂Te₅₇晶化薄膜进行反射率测试，采用分光计测试185nm—400nm波长段的反射率，并通过计算绘制其反射率对比度曲线。反射率对比度曲线类似图3所示，这里不再给出。由图中可以看出，C≥15%，满足晶态非晶态反射率对比度的要求。同样实现了大密度存储，并且达到满足要求的信噪比。

实例三：

步骤一：采用磁控溅射双靶共溅射法在氧化硅基底上制备Ge₂Sb₂Te₅掺Sn薄膜的材料，背底真空为1×10^-4Pa，溅射时的氩气气压为0.5Pa，Ar2流量为20sccm，控制Sn靶和Ge₂Sb₂Te₅靶材的溅射功率分别为射频6W和直流30W,溅射时间10min，制备出的相变薄膜用SEM观测其厚度为110nm，EDS能谱分析表明材料的成分为Sn₁₄Ge₉Sb₂₄Te₅₃。

步骤二：将步骤一中得到的相变薄膜进行XRD测试，非晶胞的出现说明溅射薄膜是非晶薄膜，测试结果于图2（b）一致，这里不再给出。进而对该薄膜进行反射率测试，采用分光计测试185nm—400nm波长段的反射率。

步骤三：使用如图1所示的实验装置工作平台的248准分子激光器作为光源，光学平台采取扩束加掩膜的方法设立。调整激光器的参数分别为脉宽30ns、单脉冲输出、激光能量在75mJ～268mJ、聚焦光斑尺寸为2.25cm²辐照步骤一中溅射的Sn₁₄Ge₉Sb₂₄Te₅₃薄膜，使其发生晶化转变。

步骤四：将步骤三中激光辐照过的Sn₁₄Ge₉Sb₂₄Te₅₃晶化薄膜进行XRD测试，其测试结果于步骤一中的图2（b）一致，表明了满足激光能量的75mJ～268mJ的248紫外激光能成功诱导Sn₁₄Ge₉Sb₂₄Te₅₃相变薄膜材料发生晶化。

步骤五：将步骤三中激光辐照过的Sn₁₄Ge₉Sb₂₄Te₅₃晶化薄膜进行反射率测试，采用分光计测试185nm—400nm波长段的反射率，并通过计算绘制其反射率对比度曲线。反射率对比度曲线类似图3所示，这里不再给出。由图中可以看出，C≥15%，满足晶态非晶态反射率对比度的要求。同样实现了大密度存储，并且达到满足要求的信噪比。

Claims (5)

1.紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法，其特征在于：它是利用248nm的准分子激光器诱导由Ge、Sb、Te、Sn组成的四元组分存储材料发生可逆相变。

2.根据权利要求1中所述紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法，其特征在于：所使用的激光器脉宽为30ns，单脉冲输出，激光器能量为激光能量在75mJ～268mJ、聚焦光斑尺寸为2.25cm²辐照相变材料。

3.根据权利要求2所述紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法，其特征在于：所述四元组分存储材料，化学通式为Sn_xGe_20-xSb₂₀Te₅₀，其中1≤x＜20。

4.根据权利要求3所述紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法，其特征在于：所述的薄膜材料为采用磁控溅射双靶共溅射法在氧化硅基底上制备Ge₂Sb₂Te₅掺Sn薄膜的材料，背底真空为≤1×10^-4Pa，溅射时的氩气气压为0.5Pa，Ar₂流量为20sccm，溅射时间7-10min，控制Ge₂Sb₂Te₅靶材的溅射功率为直流30W，控制Sn靶的溅射功率在射频3W-6W之间。

5.如权利要求4所述紫外激光诱导相变光盘存储的一种方法，其特征在于：所得到溅射薄膜为非晶相，经过激光辐照后薄膜变为晶相，反射率测试达到满足相变材料要求的≥15%。

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