CN104681046B - 基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质 - Google Patents
基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104681046B CN104681046B CN201510018511.0A CN201510018511A CN104681046B CN 104681046 B CN104681046 B CN 104681046B CN 201510018511 A CN201510018511 A CN 201510018511A CN 104681046 B CN104681046 B CN 104681046B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gold nanorods
- gnr
- write
- storage medium
- information storage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 110
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 75
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 45
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title abstract description 24
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title abstract description 24
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title abstract description 24
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 17
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 14
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 claims description 12
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims description 2
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 21
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 80
- 230000008859 change Effects 0.000 description 16
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 11
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 10
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 5
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 4
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 3
- 239000006101 laboratory sample Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 210000002659 acromion Anatomy 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000002107 myocardial effect Effects 0.000 description 2
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000000250 revascularization Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 241001025261 Neoraja caerulea Species 0.000 description 1
- 244000197975 Solidago virgaurea Species 0.000 description 1
- 235000000914 Solidago virgaurea Nutrition 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000000205 computational method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 150000002343 gold Chemical class 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000011173 large scale experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011177 media preparation Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000005476 size effect Effects 0.000 description 1
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
- G11B7/002—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the shape or form of the carrier
- G11B7/0025—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the shape or form of the carrier with cylinders or cylinder-like carriers or cylindrical sections or flat carriers loaded onto a cylindrical surface, e.g. truncated cones
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
- G11B7/24—Record carriers characterised by shape, structure or physical properties, or by the selection of the material
- G11B7/24003—Shapes of record carriers other than disc shape
- G11B7/24006—Cylindrical or shaft-shaped
Landscapes
- Optical Recording Or Reproduction (AREA)
Abstract
本发明公开了基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质，直径≤8 nm的GNR膜中GNR密度增加到特定密度之上后，某些GNR的TPL显著提高而其他GNR的TPL显著降低，导致在单个像素中个别金纳米棒的双光子荧光占据了该像素亮度的很大比重。TPL提高的GNR在熔化时所需的激光能量较现有的下降了近100倍，极大地降低了信息写读能量、减小了波长和偏振复用间隔，同时为多次擦写创造了条件，在无需使用多种尺寸金纳米棒以及隔离层的情况下，就能实现波长、偏振、三维空间乃至能量的复用，单张标准DVD大小的GNR膜理论上可以存储20TB以上的数据，有利于实现超高密度光信息存储的实用化和商业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种大容量信息存储介质，特别涉及超高密度光信息存储介质。
背景技术
光信息存储介质，如CD光盘、DVD光盘，由于具有存储数据量大、使用便利、数据永久保存等特点已广泛应用于当今社会的文化、经济及军事等领域。随着光子和量子数据存储技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技术以及海量数据处理技术的发展，光信息存储技术有望成为本世纪信息产业的支柱技术之一。
光信息存储的原理是以二进制数据的形式来存储信息。通常借助激光将转换后的二进制数刻录在具有反射能力的碟片上，产生凹点或小坑。为了识别数据，可规定刻出的小坑代表二进制数“1”，而空白则代表二进制数“0”。在读取数据时，激光在小坑处不被反射，代表“1”，而在空白处被反射，代表“0”，通过电脑可以将读取的二进制代码还原成原来的信息。在写读过程中光盘在光驱中高速转动，激光头则在电机的控制下沿径向移动，于是光盘中的数据就源源不断地被读取出来。与CD光盘比较，DVD光盘的凹坑更小，且部分采用螺旋储存凹坑使得坑与坑的间距更小，因此获得更高的存储密度。一般DVD光盘存取数据信息的坑点非常紧密，最小凹坑长度仅为0.4μm，相邻坑点的间距离仅为CD光盘的50％，且相邻轨距只有0.74μm。目前，市面上出现了不同容量的DVD光盘，直径为120mm的DVD光盘单面容量为4.7GB，双面容量为9.4GB。如果改成双面双层，则容量可达18GB。因此，标称容量为5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盘系列分别对应于单、双、多层光盘。由于光盘与光盘机配套要求，DVD光盘的价格随容量上升而升高。
另一方面，激光加工的最小光斑直径与所用激光的波长密切相关。因此，缩短激光波长可以获得更小的光斑直径。传统DVD光盘采用波长为650nm的红色激光来写入和读取数据，而目前较为先进的DVD光盘主要采用波长为405nm蓝色激光，极大地提高了光盘的存储容量，能够在一张普通DVD碟片上实现25GB的容量，如果采用双层则可达到50GB的容量，分别为现有DVD光盘容量的5至10倍。尽管如此，这种大容量DVD光盘仍然难以满足目前对超大容量信息存储的巨大需求，例如治安和交通监控、卫星云图、海量计算、网络数据等每天产生的数据量极其巨大，而这些数据还必须保存一定时间以备调用。此外，如今蓬勃发展的高清电影、3D游戏和超大容量数字图书等也迫切需要超大容量信息存储。
解决上述超大容量数据存储难题的途径有多种，其中澳大利亚科学家于2009年提出的基于金纳米棒(gold nanorod，GNR)的五维复用光信息存储被认为是最具前景的技术之一。基于金纳米棒(代表信息“1”)被激光熔化成金纳米球(代表信息“0”)后失去双光子荧光(Two-photon luminescence,TPL)响应的特点，实现了波长(维数1)、偏振(维数1)和三维空间(维数3)复用的光信息存储技术，可以在同一记录体积中存储多个可单独寻址模式，极大地提高了存储密度。这一技术的实现依赖于作为存储介质的金纳米棒/PVA薄膜的光学特性，即对波长、偏振和三维空间敏感，在五维复用光信息存储中表现为记录和读出的正交性(无串扰)，在每个维数上可以提供多个记录信道，同时存储介质在使用环境中性质稳定且在读出数据时不被损坏。
上述五维复用光信息存储介质是由多层金纳米棒/PVA薄膜堆栈而成的，薄膜之间由透明压敏胶层间隔。若使用两个偏振态，三个波长(波长间隔140nm)，10μm厚的间隔层，0.75μm的像素尺寸，那么信息存储密度可达到1.1Tb/cm3，使得单张DVD光盘的容量提升至1.6TB。澳洲科学家预测，若采用10层1微米厚的金纳米棒/PVA薄膜，三个偏振和三个波长，同时缩小间隔层的厚度，则单张DVD光盘的容量可达到7.2TB，分别为普通DVD和蓝光DVD光盘容量的1700倍和280倍。毫无疑问，这种超高密度光信息存储的实现有望解决大数据时代所面临的信息存储难题。
然而，上述五维复用光信息存储技术的实用化和产业化还需要克服以下瓶颈：
(1)信息写入能量过高(达0.21～0.32nJ)：存储介质使用直径为12nm且浓度较低的大尺寸金纳米棒，导致熔化金纳米棒所需的激光能量密度较高，产生的热量容易造成PVA薄膜的烧蚀，导致存储质量降低、存储信息串扰，信息存储的寿命也直接受到影响。此外，过高的读写能量导致其对读写设备的要求极高，限制了产业化。
(2)复用波长的间距过大(约140nm)：存储介质中使用三种不同长径比的金纳米棒来实现波长复用，其纵向等离子共振波长分别为700、840和980nm。较宽的复用波长间隔(140nm)要求使用690～1010nm宽带可调谐的飞秒激光作为读写光源，极大地增加了写读装置的成本，同时也限制了复用波长的个数。此外，在存储介质制备过程中不但面临不同长径比金纳米棒的均匀分散问题，而且还要求不同金纳米棒之间没有相互作用以确保不同金纳米棒对相应激光波长的最大响应。
(3)复用偏振的数目较少：在确保信息存储质量(即高相似度或低误码率)和无串扰的情况下，单层存储薄膜仅能实现2个偏振复用(即0°和90°)，这与无耦合金纳米棒双光子荧光的偏振依赖关系(cos4θ)和过高的信息写入能量密切相关。
(4)像素尺寸较大：这与存储介质中使用的金纳米棒尺寸较大、浓度较低有关。
(5)相邻存储层的间隔较大：由于信息写入能量较大(0.21～0.32nJ)，金纳米棒熔化过程中产生的热量较多，相邻存储层之间采用了10μm厚的透明压敏胶作为隔离层，这对制膜技术的挑战性极高。一方面由于存储层和隔离层材料不同，增加了制膜难度；另一方面，激光写读时因堆砌薄膜厚度较大必须依次提高激光能量20％/层以满足写读要求，导致膜完好性降低、图像之间的串扰增加。
(6)不能实现多次擦写：即很难实现擦去已有数据，再写入新数据，也就是说不能实现激光能量复用。
由于存在上述问题，虽然金纳米棒薄膜是一种非常有希望实现产业化的超高密度光信息存储介质，但是目前在产业化方面仍然没有太大进展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质。
一种超高密度光信息存储介质，所述介质为含有金纳米棒的膜，膜中的金纳米棒的直径不大于8nm，金纳米棒在膜中以可以发生强耦合作用的密度分布。
可以发生强耦合作用的金纳米棒密度分布为400～4000根/μm3，优选为800～2000根/μm3，更佳为800～1200根/μm3。
作为上述存储介质的进一步改进，金纳米棒中含有至少两种不同长径比的金纳米棒。
作为上述存储介质的进一步改进，金纳米棒中含有至少两种不同直径的金纳米棒。
作为上述存储介质的进一步改进，金纳米棒的直径为5～8nm。
作为上述存储介质的进一步改进，不同长径比的金纳米棒具有相同的直径。
作为上述存储介质的进一步改进，不同直径的金纳米棒具有相同的长径比。
本发明的有益效果是：
发明人在研究过程中意外发现，如果使用直径≤8nm的金纳米棒制备成膜，当金棒的密度达到一定程度后，棒与棒之间出现了强耦合作用，使金纳米棒的双光子吸收、双光子荧光、熔化所需激光能量以及波长和偏振响应特性发生了出乎意料的改变，某些金纳米棒的双光子荧光显著提高而另一些金纳米棒的双光子荧光显著降低，导致在一个像素中个别金纳米棒的双光子荧光占据了该像素亮度的很大比重。一方面，双光子吸收或荧光获得显著提高的金纳米棒在熔化时所需的激光能量将显著下降；另一方面，由于这些金纳米棒的双光子荧光在整个像素中所占的比重较大，它们的熔化可以产生较大的对比度，这就意味着对于一定的对比度，信息写入能量将大幅下降。写入激光脉冲能量从文献中0.21～0.32nJ降低至本发明的2.1～3.29pJ，减小了近100倍，极大地降低了信息写读能量、减小了波长和偏振复用间隔(即增大了波长和偏振复用数目)，同时为多次擦写创造了条件，在无需使用多种尺寸金纳米棒以及隔离层的情况下，就能实现波长、偏振、三维空间乃至能量(合计六维)的复用功能，方便超高密度光信息存储的实用化和商业化。
附图说明
图1是制膜所使用的金纳米棒的透射电镜图；
图2给出了密度为800根/μm3的尺寸金纳米棒的透射电镜照片；
图3是金纳米棒/PVA薄膜的消光谱随金纳米棒分布密度的变化；
图4给出了本专利申请涉及的系列样品GNR－PVA膜(玻璃基片)的外观图；
图5是信息写入(即激光照射)前后单个像素双光子荧光(TPL)光谱的变化；
图6是不同激光脉冲能量下，GNR膜上图像的相关系数和对比度随“读出”角度的变化；
图7是GNR-PVA薄膜偏振复用信息存储的情况；
图8和9是GNR-PVA薄膜多偏振复用的情况；
图10是GNR-PVA薄膜多层复用的情况；
图11是25μm厚GNR-PVA薄膜每隔4μm存储一幅图像的情况；
图12是不同脉冲写入能量下，相关系数和对比度随“读出”波长的变化；
图13是不同写入脉冲能量下，写入像素点对相邻像素点的影响；
图14是GNR-PVA薄膜同层多次擦写的情况；
图15是GNR-PVA薄膜在图像读写完成后样品表面的明场显微照片；
图16是偏振复用3次后GNR-PVA薄膜明场显微照片；
图17是GNR-PVA薄膜使用波长间隔40nm激光的写读结果；
图18为二种不同尺寸GNR但Au浓度相同(非GNR浓度)时的读写结果。
具体实施方式
为便于描述本发明的技术方案，定义名词如下：
GNR密度：系指每1μm3平均金纳米棒数目，单位为根/μm3。
对比度：对于单个像素，如果用I1表示信息写入前的双光子荧光强度，用I2表示信息写入后的双光子荧光强度，则该像素的对比度R定义为：
…………………………(式1)
对于由诸多像素组成的图像，如果用I1表示无信息写入的像素的平均双光子荧光强度，用I2表示有信息写入的像素的平均双光子荧光强度，则图像的对比度R也可由式(1)来定义。
相似度：指存储图像的各个像素与原图像的各个像素之间的匹配程度，用C表示，其计算方法为：
…………………………(式2)
其中
Amn、Bmn分别代表原图像和存储图像各个图像单元(像素或像点)的强度(例如TPL)，A、B分别代表所有像素的平均强度。通常认为当相似度大于0.90时满足写入/存储要求。
金纳米棒膜的信息读写系统中包括了多种光学元器件，信息读写系统类似于DVD光盘的读写系统。其具体的技术方案如下：从飞秒激光器(Mira900，美国相干公司)发出的波长在800nm附近可调谐、脉宽为120fs的飞秒激光脉冲，首先经过一个可变光衰减器(50Q04AV.2，美国Newport公司)来控制信息“读/写”的光强，然后再经过由宽带1/2波片和1/4波片组成的偏振控制系统来控制激光的偏振方向。在波片后面的光路上，一个电控的光学快门(GCI-7102M，中国大恒公司)被用于控制曝光时间；经过快门后，激光进入一个倒置的荧光显微镜(Axio Observer A1，德国蔡司公司)，经二向色镜反射，由显微镜物镜聚焦在实验样品上。实验样品被放置在一个三维移动平台上(P-563.3CD，德国PI公司)，可以在×、y、z三个方向上实现纳米精度的可控移动。在信息“写入”过程中，聚焦飞秒激光将样品上位于焦点处的金纳米棒熔化成金纳米球，导致该处的双光子荧光减弱或消失，实现信息写入。在信息“读取”过程中，实验样品受激所产生的双光子荧光被同一个物镜收集，透过二向色镜后进入光谱仪(SR500i-B1，英国Andor公司)，最后用光电倍增管(H7422-40，日本Hamamatsu公司)来探测荧光中特定波长的光强。光电倍增管的电信号经过锁相放大器(SR850，美国Standford公司)放大后，通过连接在电脑上的数据采集器(BNC-2120，美国NI公司产品)输出。在信息“读/写”过程中通过自己编写的软件控制三维移动平台的移动、光闸的开闭和数据采集协调工作。
由于纳米材料的特殊性，制备得到的材料不可避免地存在不同，本发明中的长径比为近似值，允许有一定的偏差。如长径比为4.4的GNR，包括长径比在4.4±0.2左右的所有GNR，其中心值为4.4。
一种超高密度光信息存储介质，所述介质为含有金纳米棒的膜，膜中的金纳米棒的直径不大于8nm，金纳米棒在膜中以可以发生强耦合作用的密度分布。
所谓强耦合作用，是指当GNR的密度提高至某一特定密度之上后，在单个像素中，某些金纳米棒的双光子荧光显著提高而另一些金纳米棒的双光子荧光显著降低，导致在一个像素中个别金纳米棒的双光子荧光占据了该像素亮度的很大比重。可以通过逐步提高GNR密度的方法确定可以发生强耦合作用的最小密度。
GNR的密度越大，越容易发生强耦合作用，但是相应的，所需要的GNR也更多，GNR膜的制备成本更大，导致GNR膜的经济性下降。可以发生强耦合作用的金纳米棒密度分布为400～4000根/μm3，优选为800～2000根/μm3，更佳为800～1200根/μm3。
作为上述存储介质的进一步改进，金纳米棒中含有至少两种不同长径比的金纳米棒。这样，膜中的具有不同AR值的GNR可以分别响应不同的激光波长，进一步提高GNR膜的存储密度。
作为上述存储介质的进一步改进，金纳米棒中含有至少两种不同直径的金纳米棒。小直径的GNR可以先响应低功率的激光，大直径的GNR后响应高功率的激光，利于进一步实现功率利用，获得存储密度更高的GNR膜。
GNR的直径越小，同质量的金含量下，GNR的密度可以进一步提高。因此，GNR的直径越小越好，但是考虑到GNR的制备工艺，作为上述存储介质的进一步改进，金纳米棒的直径为5～8nm。
作为上述存储介质的进一步改进，不同长径比的金纳米棒具有相同的直径。
作为上述存储介质的进一步改进，不同直径的金纳米棒具有相同的长径比。
以下实验中，如无特别说明，小尺寸金纳米棒特指直径≤8nm的GNR。
金纳米棒膜的制备
下面以LSPR在800nm、直径8nm(长径比AR约4.4)强耦合型金纳米棒－PVA膜(GNR-PVA膜)为例进行说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于PVA膜或AR为4.4的GNR。本领域技术人员可以使用其他高分子材料和GNR混合制膜，也可以使用其他AR的GNR，以对应相应的读写波长。采用的制膜方法与文献(Peter Zijlstra et al，Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods，Nature，2009，Vol.459(21):410-413)相同。需要指出的是，本领域技术人员也可以使用其他公知的方法制备得到金纳米棒膜。当然，也可以使用其他的热稳定性较好的光学透明高分子材料与GNR混合制膜。
为便于比较，我们用小尺寸GNR(见图1TEM图，8nm×35nm，直径×长度，长径比AR约为4.4)制备出了包括较强耦合特性的GNR－PVA膜在内的系列GNR－PVA膜(见图2TEM图)。表1列出了系列样品(编号0.5c0、c0、2c0、4c0、8c0)，厚度约25μm的GNR－PVA膜的诸项参数。表1还列出了与样品2c0相同质量Au时其他尺寸GNR－PVA膜中的GNR密度。
表1 系列GNR-PVA膜样品参数汇总表
*单位像素：0.65μm×0.65μm×0.65μm
**文献值(Peter Zijlstra et al，Five-dimensional optical recordingmediated by surface plasmons in gold nanorods，Nature，2009，Vol.459(21):410-413)。
图1是制膜所使用的金纳米棒的透射电镜图，可以看出金纳米棒的直径为7～8nm，长度为28～35nm。
图2给出了GNR密度800根/μm3时小尺寸金纳米棒的透射电镜分布图，左右分别对应分散在5％和0.1％PVA中的样品，可以看出相邻金纳米棒的平均间距小于20nm(文献Elizabeth J.Smythe et al中Fig.2，YGap最低至20nm)。
图3是金纳米棒/PVA薄膜的消光光谱随金纳米棒分布密度的变化，可以看出随着金纳米棒分布密度的增大，消光光谱出现明显展宽和微小红移。
图4给出了本专利申请涉及的系列样品GNR－PVA膜(玻璃基片)的外观图。
图5是信息写入(即激光照射)前后单个像素双光子荧光(TPL)光谱的变化，其中激光脉冲能量为2.7pJ，激光照射时间为20ms。如果选择读取TPL波长为600nm，则在信息写入前后该像素的双光子荧光强度下降了约60％。
如表1所示，上述系列0.5c0、c0、2c0、4c0、8c0的GNR－PVA膜对应膜中GNR浓度分别约为330、660、1320、2640、5280nM，对应的GNR密度分别约为200、400、800、1600、3200(根/μm3)，其中c0、2c0、4c0、8c0对应的消光谱(图3)显示，样品c0(GNR密度约为400)开始呈现半高宽变宽，开始出现肩峰，相邻GNR之间呈现耦合作用，而样品2c0(GNR密度约为800)呈现强耦合作用特性(半高宽显著变宽，出现肩峰)(Elizabeth J.Smythe et al，Opticalproperties of surface plasmon resonances of coupled metallic nanorods，Opt.Express，2007，Vol.15(12):7439)，进一步提高GNR密度，耦合作用虽然有所增强但逐渐趋于饱和。考虑到成本与使用效果，优选GNR密度800根/μm3，对应样品2c0。此时膜中GNR间呈现强的耦合作用。
比较而言，文献(Peter Zijlstra et al，Five-dimensional optical recordingmediated by surface plasmons in gold nanorods，Nature，2009，Vol.459(21):410-413)值约400nM GNR(尺寸12nm×51nm，直径×长度，长径比AR＝4.3)，对应GNR密度约240根/μm3，不到本发明优选值800的1/3，其消光光谱未呈现展宽效应，说明此密度下，相邻大尺寸金纳米棒间无明显耦合作用(Elizabeth J.Smythe et al)。
综合表1中单位像素(0.65μm×0.65μm×0.65μm，相当于写入的激光光斑作用区域)中GNR数目、文献(Peter Zijlstra et al，使用较大尺寸GNR，长×径，12nm×51nm，偏振或波长复用时读出的存储图像串扰明显)及本申请专利中强耦合小尺寸GNR膜写读结果，可以得出，当与样品2c0中所含GNR质量(或Au浓度)相同时：
1)减小尺寸可以获得较大的GNR密度，利于实现相邻GNR见强耦合作用，如采用直径为6nm的GNR，相邻GNR间耦合作用更强，利于更低能量实现写读；
2)直径10～12nm的较大尺寸GNR要获得强耦合特性的GNR-PVA膜，须成倍提高其中GNR浓度；
3)直径24nm的大尺寸GNR完全不产生耦合作用(见表1，此时单位像素里GNR数量仅8，GNR相互间距离远而呈现分立的GNR性质)；
4)直径8nm或以下，长径比大于或小于4.4的GNR形成强耦合特性的膜对应的GNR密度适宜范围在800～2000根/μm3。
另一方面，当GNR的直径为8nm或以下时，由于GNR吸收占比显著提高，单根GNR熔化所需热量显著减少，量子尺寸效应带来的熔点降低，最终导致写入激光能量显著降低，更有利于避免产生复用时的图像串扰现象。
偏振复用时写入能量对图像串扰的影响
下面的系列实验除非特别说明，均采用直径8nm、长径比4.4的金纳米棒制备的GNR密度为800根/μm3的GNR－PVA膜进行。
图6为不同激光脉冲能量下，相关系数和对比度随“读出”角度的变化。在0°偏振方向上分别写入以E＝1.05pJ、E＝2.10pJ、E＝3.15pJ、E＝4.20pJ、E＝5.25pJ“写入”字母“SCNU”信息(字符串“SCNU”)，然后分别在不同偏振角度α“读出”图形，得到图形的对比度和相似度。可以看出，在0°偏振方向上写入激光的能量越大，在60°偏振方向上引起的图像串扰就越明显，不利于实现同区偏振复用和高密度存储。偏振复用时写入能量对图像串扰的影响如图6(a)～(f)所示；图6(g)和6(h)分别给出了实际测量的相关系数和对比度随激光写入能量和偏振角度的变化。可以看出，低写入能量是实现无串扰偏振复用的关键。
图7给出了我们制备的金纳米棒/PVA薄膜的偏振复用信息存储情况，其中像素尺寸为0.65μm×0.65μm，偏振角度为0°(a)和90°(b)、激光波长为750nm，写入脉冲能量为3.29pJ，每个像素的曝光时间为20ms，读出脉冲能量为0.53pJ。图7a的对比度为0.577，相似度为0.929；图7(b)的对比度为0.574，相似度为0.957；图7(c)和图7(d)分别给出了两个图形所有像素的亮度统计分布和相似度分析。在偏振复用中没有发现串扰现象，由此说明制备的金纳米棒/PVA薄膜在很低的写读能量下已经可以获得很高的相似度和对比度。
图8和图9分别给出了我们制备的金纳米棒/PVA薄膜(GNR密度800根/μm3)实现单层3个和4个偏振复用的情况，其中3个偏振方向分别为0°，60°和120°，四个偏振方向分别为0°，45°，90°和135°。激光波长为750nm，写入脉冲能量为3.29pJ，每个像素的曝光时间为20ms，读出脉冲能量为0.53pJ，由于写入能量很低，图像间几乎没有串扰，且图像的对比度较高。
多层偏振复用：
通过在竖直方向上改变激光焦点的位置，在不使用隔离层的情况下，可以每隔4μm存储两幅图像。如图10所示。给出了我们制备的金纳米棒/PVA薄膜实现多次擦写的情况。图10(a)-(c)，左边图为0°读写，右边图为90°读写，写入脉冲能量分别为2.7pJ，5.4pJ，14.85pJ，读出脉冲能量分别为0.36pJ，0.50pJ，0.72pJ，每个像素的曝光时间为20ms，像素尺寸为0.65μm×0.65μm，飞秒激光波长为750nm。结果表明，由于写入能量很低，所以每层图像对比度较高，几乎没有串扰，不需要增加额外的隔离层，就可以实现多层复用，大大降低了多层复用的难度，有利于实现低成本的实现多层复用。
图11给出了在25μm厚的金纳米棒/PVA薄膜中每隔4μm存储一副图像的情况，总共存储了4副图像，图像的对比度较高，相互之间几乎没有串扰。写入脉冲能量为3.29pJ，每个像素的曝光时间为20ms，读出脉冲能量为0.53pJ。
由上述实验结果可知，金纳棒密分布时，可以显著降低膜的写入能量，不同偏振角的读取串扰低，可以实现更多的偏振复用。
波长复用时写入能量对图像串扰的影响
不同脉冲写入能量下，相关系数和对比度随“读出”波长的变化如图12(a)－(f)所示。在激光波长为800nm时分别以E＝2.10pJ、E＝2.50pJ、E＝2.90pJ写入字母“SCNU”，然后分别在不同波长λ读出图形，得到图形的对比度和相似度(样品浓度较低)。可以看出，写入能量越高，图像串扰越明显，不利于实现同区波长复用和高密度存储。图12(g)－(h)分别给出了实际测量的相似度和对比度随激光写入能量和波长的变化。可以看出，低写入能量是实现无串扰波长复用的关键。图12的结果还表明，如果采用低能量写入，则复用波长的间距可以大大缩小，此时采用含有一种长径比金纳米棒的薄膜即可实现多个复用波长，无需采用含有多种(长径比)金纳米棒的薄膜，大大简化了存储介质的制备工艺。
激光写入能量对像素尺寸与擦写次数的影响
图13给出了在不同写入脉冲能量下，写入像素点对相邻像素点的影响。(a)-(d)，写入脉冲能量分别为2.9pJ，5.8pJ，8.7pJ，11.6pJ，两相邻像素间距为0.65μm。可以看出，随着写入能量的增大，位于写入像素两侧的未写像素，其双光子荧光的强度开始逐渐下降，当写入能量为11.6pJ时，双光子荧光强度已经下降至原来的一半，极易形成误码。此时要避免误码，唯有增大像素元的尺寸。由此可见，低写入能量对实现高空间密度存储也非常重要。
图14给出了我们制备的金纳米棒－PVA薄膜实现多次擦写的情况。(a)-(d)，写入脉冲能量分别为2.7pJ，5.4pJ，14.85pJ，29.25pJ，读出脉冲能量分别为0.36pJ，0.50pJ，0.72pJ，1.13pJ，每个像素的曝光时间为20ms。在下一次写入前，以前一次的写入功率，先写入原图的互补图形，让各像素点金纳米棒的融化率保持均匀。结果表明，这种金纳米棒－PVA薄膜单层可以实现4次擦写，而且每次擦写后存储的图像对比度高且没有串扰。
图15图像读写完成后，在显微镜下金纳米棒－PVA薄膜样品表面的明场显微照片，写入区域位于黑色方框内。黑色方框用于标识边界，是在读写完成后用高能量激光对存储区域的边界进行烧蚀而形成的。可以看到，薄膜在存储信息后外观没有发生任何变化。因此，低能量写读为提高复用次数和存储图像质量(如相似度和对比度等)创造了条件。
图16给出了偏振复用3次后金纳米棒/PVA薄膜的明场照片，可以看出薄膜外观无任何变化，清楚表明低能量写读的优势。
图17则给出了波长间隔为40nm写读的结果，说明用GNR密度800根/μm3、直径8nm的GNR－PVA膜峰值前后40nm左右可实现波长复用，而无需使用几个波长GNR制膜。由此说明小尺寸GNR膜在波长复用方面的又一优势。
图18为二种不同尺寸GNR但Au浓度相同(非GNR浓度)时的读写结果，其中(a)图为强耦合(GNR密度800根/μm3)小尺寸GNR样品(8nm×35nm)，(b)图为几无耦合(GNR密度30)大尺寸GNR(24nm×100nm)样品。激光波长为800nm，前者写入脉冲能量为1－5pJ，每个像素的曝光时间为20ms，读出脉冲能量为0.53pJ，后者写入脉冲能量为10－90pJ，每个像素的曝光时间为20ms，读出脉冲能量为0.53pJ。图18(a)可见小尺寸GNR强耦合膜用低激光能量写入，均可得高分辨率图；而图18(b)说明，无耦合作用的大尺寸GNR膜需大能量写入，才能获得图像分辨率较高的图像，难再复用，小能量写入几乎得不到高相似度的图像；图18(c)为24nm×100nm GNR的TEM图。
综上所述可知，具有强耦合作用的GNR膜非常适合作为超高密度光存储介质，在此介质中，相邻GNR间距小、相邻GNR之间存在强耦合作用，利用这种膜及配合相应的读写装置，可实现波长复用、偏振复用、功率复用、三维(x、y和z三维空间)复用等六维、每维3～4次的超高密度光存储。
单张标准DVD光盘容量的推算：
按单张光盘尺寸10cm×10cm×1mm、像素尺寸0.5μm×0.5μm、竖直方向存储间距4μm、复用波长3个、复用偏振4个计算，单张光盘存储容量可以达到以下数值：
即单张DVD光盘的容量可以达到20TB，远高于文献报道(Peter Zijlstra et al，Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in goldnanorods，Nature，2009，Vol.459(21):410-413)的1.6TB数值。如果考虑反复擦写4次，则光盘的容量进一步提升至80TB的水平。
通过使用多种长径比的小尺寸金纳米棒制强耦合膜，可使其响应的激光波长范围变宽，通过改变读写的波长，有望进一步提高GNR膜的存储容量。
类似的，使用不同直径的GNR，通过调整激光的读写功率，先使用小功率的激光写读，先利用小直径的GNR进行数据存储，然后使用更大功率的激光写读，利用膜中的较大直径GNR进行数据存储，有望一步提高GNR膜的读写次数。
同时因为金为惰性金属，常规条件下性质稳定，有利于数据的长期稳定存储，特别适合需要长期保存的且基本不需要修改的数据，如视频监控数据、各种档案、天文观测数据、大型实验数据记录等。
Claims (8)
1.一种超高密度光信息存储介质，所述介质为含有金纳米棒的膜，其特征在于：膜中的金纳米棒的直径不大于8 nm，金纳米棒之间在膜中以可以发生强耦合作用的密度分布，可以发生强耦合作用的金纳米棒密度分布为400～4000根/μm3，所述强耦合作用，是指当金纳米棒的密度提高至某一特定密度之上后，在单个像素中，某些金纳米棒的双光子荧光显著提高而另一些金纳米棒的双光子荧光显著降低，导致在一个像素中个别金纳米棒的双光子荧光占据了该像素亮度的很大比重。
2.根据权利要求1所述的超高密度光信息存储介质，其特征在于：金纳米棒密度分布为800～2000根/μm3。
3.根据权利要求1所述的超高密度光信息存储介质，其特征在于：金纳米棒的密度分布为800～1200根/μm3。
4.根据权利要求1所述的超高密度光信息存储介质，其特征在于：金纳米棒中含有至少两种不同长径比的金纳米棒。
5.根据权利要求1所述的超高密度光信息存储介质，其特征在于：金纳米棒中含有至少两种不同直径的金纳米棒。
6.根据权利要求1所述的超高密度光信息存储介质，其特征在于：金纳米棒的直径为5～8 nm。
7.根据权利要求4所述的超高密度光信息存储介质，其特征在于：不同长径比的金纳米棒具有相同的直径。
8.根据权利要求5所述的超高密度光信息存储介质，其特征在于：不同直径的金纳米棒具有相同的长径比。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510018511.0A CN104681046B (zh) | 2015-01-14 | 2015-01-14 | 基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510018511.0A CN104681046B (zh) | 2015-01-14 | 2015-01-14 | 基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104681046A CN104681046A (zh) | 2015-06-03 |
| CN104681046B true CN104681046B (zh) | 2018-03-09 |
Family
ID=53315990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510018511.0A Expired - Fee Related CN104681046B (zh) | 2015-01-14 | 2015-01-14 | 基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104681046B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109637557B (zh) * | 2018-11-20 | 2020-06-05 | 暨南大学 | 六维高密度信息存储方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103203459A (zh) * | 2013-03-08 | 2013-07-17 | 华南师范大学 | 一种金纳米棒的制备方法 |
-
2015
- 2015-01-14 CN CN201510018511.0A patent/CN104681046B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103203459A (zh) * | 2013-03-08 | 2013-07-17 | 华南师范大学 | 一种金纳米棒的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Optical properties of surface plasmon resonances of coupled metallic nanorods;Elizabeth J.Smythe et al;《Optics Express》;20070611;第15卷(第12期);7439-7447 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104681046A (zh) | 2015-06-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gu et al. | Nanomaterials for optical data storage | |
| Saini et al. | Threshold response using modulated continuous wave illumination for multilayer 3D optical data storage | |
| TWI254299B (en) | Optical recording medium and optical data storage and retrieval system | |
| Zijlstra et al. | Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods | |
| Maeda et al. | Polarization storage by nonlinear orientational hole burning in azo dye-containing polymer films | |
| TW200426817A (en) | Recording media with super-resolution near-field structure, reproducing method and reproducing device therefor | |
| JPS60500329A (ja) | 光学デ−タ記憶用記録媒体 | |
| US20090075014A1 (en) | Optical recording method and reproducing method | |
| JP2009221563A (ja) | 金ナノロッドとその製造方法、金ナノロッドを用いた電磁波吸収体、色材、光記録材料および二光子反応材料 | |
| JP2001325745A (ja) | 光学記録媒体と、その再生装置および記録再生装置 | |
| EP2243783B1 (en) | Bisporphyrin conjugates as two photon absorption materials | |
| TW200419178A (en) | Optical switch | |
| CN104681046B (zh) | 基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质 | |
| Jiang et al. | Solvent-free optical recording of structural colours on pre-imprinted photocrosslinkable nanostructures | |
| US7358031B2 (en) | Optical information recording medium, optical information recording device and manufacturing method of optical information medium | |
| Xu | Multi-dimensional optical storage | |
| CN1178794A (zh) | 蓝光dvd－r用光信息存贮材料 | |
| Hu et al. | Femtosecond laser induced surface deformation in multi-dimensional data storage | |
| Yuan et al. | Optical tape for high capacity three-dimensional optical data storage | |
| JP4154132B2 (ja) | 光情報記録媒体 | |
| CN1155948C (zh) | 近场双光子存储的信息记录、擦除和读取的方法 | |
| JP4368148B2 (ja) | フィルム、フィルムを用いた光メモリ材料、および、フィルムの製造方法 | |
| JP2008233413A (ja) | 二光子吸収材料、並びに光機能付与方法、光機能検出方法、光記録再生方法、光記録材料、及び三次元光記録媒体 | |
| CN1176458C (zh) | 用于超高密度信息存储介质的光学存读方法 | |
| Chen et al. | Dimension expansion of high-capacity optical data storage |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180309 |