CN104700852A

CN104700852A - 一种高密度长寿命数据存储光盘及其制备方法

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Publication number: CN104700852A
Application number: CN201510124539.2A
Authority: CN
Inventors: 夏志林; 陈诚; 张茜
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: CN104700852B

Abstract

本发明属于光信息存储技术领域。一种高密度长寿命数据存储光盘，其特征在于：玻璃基片表面覆盖一层杂化材料薄膜，或者平底容器内表面覆盖一层杂化材料片样；杂化材料中分散着高密度的金纳米棒。该方法制备的数据存储光盘热力学性能稳定，可实现记录数据的长久保存。

Description

一种高密度长寿命数据存储光盘及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种由杂化材料和金属材料复合而成具有超长寿命的数据存储光盘，特别涉及贵金属纳米结构直接分散于一种由无机材料与有机材料杂化而形成的复合材料的数据存储光盘及其制备方法，以及其在高密度光存储方面的应用，属于光信息存储技术领域。

背景技术

随着计算机技术的普及、互联网的高速发展，各种信息呈爆炸式的增加，人们的日常生活也很大程度上依赖于信息。信息数据化后，就需要更高存储密度、更大存储容量、更快存取速度、更长寿命、更低成本的数据存储器。而对于存储技术而言，最为关键的就是存储介质以及写入/读取信息的方式。目前，可用于数字信息存储的技术主要包括磁存储、光存储及固态存储三种，这些存储技术都各自存在发展空间。随着多种光学效应的应用和薄膜技术的不断发展，光存储成为主流存储之一，各种功能薄膜成为存储介质，运用纳米技术，使信息点的尺寸达到纳米级别，实现高密度存储。光存储盘因其便于携带、盘片易更换、存储密度高及保存寿命较长等优点，在媒体传播、数据存档等许多领域具有广泛的用途，不仅商业性规模生产方面获得巨大成功，在技术上也不断取得新突破，形成了一项独立的高科技产业，以光盘为代表的光学数字式数据存储技术已成为当代信息社会中不可缺少的信息载体。

在存储技术上，传统的磁存储、光存储和半导体存储受到超顺磁效应、衍射现象和最小光刻单元的限制而存在物理极限。在磁存储技术中，纵向磁记录由于受到退磁场引起过渡区展宽限制，过小磁畴尺寸难以长久保持信息，相对应过高的矫顽力使磁头难以写入数据，还有热稳定性、噪声等相关问题，故而提出了垂直磁记录技术和巨磁阻磁头，虽然减小了退磁场和提高了灵敏度，使得存储密度有所增大，但也不能摆脱超顺磁效应的限制。光存储技术包括光盘存储技术、磁光存储技术、近场光学存储技术、全息存储技术以及双光子存储技术等。传统的远场光学存储技术受到衍射现象的限制数据斑不可能过小，这就意味存储密度存在极限，新型存储技术的出现使得光存储密度大幅增大，但这些技术还大多处于实验室研究状态，远未达到实用状态。半导体存储技术分为易失性和非易失性两种。易失性存储器虽然具有很高的读取速率，但由于不能掉电保存数据，限制了其在除内存外的应用领域；作为非易失性存储器的代表，闪存虽然可以长期保存数据，但受其加工时最小光刻单元的限制(目前认为很难达到35nm以下)，其存储容量不能大幅扩大，限制了其应用领域。后又有实验室为了避免集成度的限制尝试了Bottom-up的研究思路，采用扫描探针显微存储技术直接从原子和分子尺度对存储技术进行设计、制造半导体存储器，其中碳纳米管制造分子级非易失性存储器也成为了热点。但也由于探针与表层磨损，寿命短，且探针作为读写头，完全不能满足读写要求，有人尝试用探针阵列进行读写，大大增加了成本。总的来说，存储领域已经比较成熟，但满足更高需求的新型存储技术还只是暂露头角。综上所述，磁存储、光存储和半导体存储技术是目前发展的最为成熟且应用最广泛的信息存储技术，它们的存储容量和读写速率也在逐年递增，但由超顺磁效应、衍射现象和最小光刻单元带来的物理极限使得这些存储技术的存储密度不能无限增加，因此，要突破这些物理极限就需要从机理上入手，寻找并研究新机理存储技术。

从新的存储机理着手研究，实现高密度大容量数据存储是今后发展的基本方向。目前，大容量数据存储技术发展的原理主要有：体全息存储技术、空间三维及多维存储、近场光学与超分辨技术、光量子效应与电子转移效应、多光子多波长技术、多维矩阵组合编码及多通道并行读写技术等。2009年澳大利亚顾敏院士提出了激光五维存储技术，该存储技术的基本思路是将金纳米棒分散到PVA（聚乙烯醇）中制成光盘。数据写入时，采用特定偏振态、特定波长的高功率密度飞秒激光脉冲照射光盘表面，辐照区域内的高吸收性纳米棒被烧蚀成球状纳米颗粒，而吸收系数低的纳米棒，以及未受照射区域的金纳米棒仍然保存完好。数据读取时，采用相应偏振态和波长的低功率密度飞秒激光扫描光盘表面，未被烧蚀成球形纳米颗粒的纳米棒将被激发发射双光子荧光，记录该荧光发射位置的分布。激光五维存储技术可以将现有尺寸光盘的数据记录量提高到TB量级，数据存储密度极高。

但是，激光五维存储技术以纳米金作为数据记录点，纳米金价格不菲，如果存储介质的使用寿命不长，其应用前景并不乐观，开发出长寿命数据存储光盘是该技术得以推广的基础。制备纯无机材料光盘是长寿命光盘的发展方向，例如陶瓷或玻璃质的光盘，但是陶瓷或玻璃往往需要高温烧结，而金纳米棒无法承受如此高温，传统工艺无法借用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高密度长寿命数据存储光盘及其制备方法，该方法制备的数据存储光盘热力学性能稳定，可实现记录数据的长久保存。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种高密度长寿命数据存储光盘，其特征在于（基本结构为）：玻璃基片表面覆盖一层杂化材料薄膜，或者平底容器（平底圆柱状容器）内表面覆盖一层杂化材料片样；杂化材料中分散着高密度的金纳米棒（所述杂化材料为杂化材料薄膜或杂化材料片样的材料）。

一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）制备AuNRs（金纳米棒）水溶液；

2）含AuNRs杂化材料的混合液的制备：将正硅酸甲酯（TMOS）、聚乙二醇（PEG）、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷（三嵌段共聚物P₁₂₃）以及去离子水（H₂O）混合，形成杂化材料溶液，待溶液澄清后加入稀盐酸（HCl）继续搅拌，得到混合液；再将制备好的不同长径比AuNRs（金纳米棒）水溶液均匀分散在上述混合液中，得到含AuNRs杂化材料的混合液；

3）将含AuNRs杂化材料的混合液通过旋涂法在玻璃表面制成薄膜试样，或者采用压铸法将含AuNRs杂化材料的混合液制成片状样，得到高密度金纳米棒分散于PEG-SiO₂杂化材料的长寿命数据储存光盘。

按上述技术方案，正硅酸甲酯（TMOS）、聚乙二醇（PEG）、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷（三嵌段共聚物P₁₂₃）、去离子水（H₂O）、稀盐酸的配比为：1.0ml:0.04g-0.48g:0.01g-0.12g:0.5ml:0.05g。

按上述技术方案，含AuNRs杂化材料的混合液、AuNRs（金纳米棒）水溶液的配比为：150ul:110ul。

按上述技术方案，AuNRs（金纳米棒）水溶液中金纳米棒的长度为15-100纳米，纳米棒直径、长径比均连续可调。

按上述技术方案，在玻璃表面制成薄膜试样，薄膜的厚度为1.5微米。

按上述技术方案，采用压铸法将含AuNRs杂化材料的混合液制成片状样，片状的厚度为1.5微米。

该工艺技术满足低温制备具有一定厚度长寿命数据存储光盘的要求，并实现基于激光五维存储技术的数据读写。

所得到的杂化材料膜厚度，杂化材料中有机无机组分含量、金纳米棒密度均连续可调。所得到的杂化材料压铸片厚度，杂化材料中有机无机组分含量、金纳米棒密度均连续可调。金纳米棒的长度在100纳米以下，纳米棒直径、长径比均连续可调。

本发明突破了现有激光五维存储激光所用光盘材料的局限，避开了制备纯无机存储介质所需的高温烧结，设计了一种由PEG（聚乙二醇）、P₁₂₃（聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷）、正硅酸甲酯（氧化硅）、金纳米棒组成的数据存储光盘，此光盘的组成成份均为化学稳定性及热力学稳定性很高的材料，可以长时间保存。

本发明所设计的数据存储光盘，其基本结构有两种：一种为玻璃基片表面覆盖一层杂化材料薄膜，该薄膜内有高密度分散的金纳米棒；另一种为由分散有金纳米棒的杂化材料压铸而制成的圆片状样品。

本发明的特点之一在于设计了一种高密度数据存储光盘的结构，该光盘存储密度的提高不依赖于减小激光波长和增加物镜孔径来实现。

本发明的特点之二在于提供了所设计的由无机有机杂化材料、金属材料组装而成的高密度数据存储光盘的制备方法。

本发明的特点之三在于所设计的数据存储光盘解决目前所用光盘在长期保存中存在的化学稳定性和热力学稳定性差的问题，热力学性能稳定，实现了记录数据的长久保存。

本发明的有益效果是：该方法制备的数据存储光盘热力学性能稳定，可实现记录数据的长久保存。

附图说明

通过参考附图对实施例的详细描述，本发明的上述特点和优点将更加明显，其中：

表1为有机成分含量表。

图1（a）是本发明AuNRs的TEM照片。

图1（b）是本发明AuNRs的可见光-近红外吸收光谱图。

图2是旋本发明涂法制备杂化材料薄膜原理图；（a）为混合液滴加，（b）为旋转凝胶，（c）为蒸发形成膜。

图3（a）是本发明杂化材料支撑的存储光盘示意图；

图3（b）是本发明玻璃基底光盘组装示意图。

图4是本发明高密度长寿命数据存储光盘读写结果图。

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。

一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，它包括如下步骤：

1）AuNRs（金纳米棒）水溶液的制备

取7.5ml浓度为0.1mol/L的CTAB溶液（十六烷基三甲基溴化胺溶液），加入0.25ml浓度为0.01 mol/L的HAuCl₄溶液（四氯金酸溶液），混合均匀后加入0.6ml浓度为0.01 mol/L的NaBH₄溶液，剧烈搅拌均匀后静置2小时，得到种子溶液；

取4.75ml浓度为0.1mol/L的CTAB溶液，加入0.03ml浓度为0.01mol/L的AgNO₃溶液，混合均匀后加入0.2ml浓度为0.01mol/L的HAuCl₄溶液，混合均匀后再加入0.032ml浓度为0.1mol/L的抗坏血酸溶液，混合均匀后，得到生长溶液；

取10ul的种子溶液加入到所配置的生长溶液中，混合均匀后静置2小时，离心分离并将沉淀物分散到去离子水中，即得到AuNRs（金纳米棒）水溶液【即金纳米棒溶胶，浓度为3*10^-4-4*10^-4mol/L】；AuNRs（金纳米棒）水溶液中金纳米棒的长度为15-100纳米，纳米棒直径、长径比均连续可调；

TEM照片及可见光-近红外吸收光谱如附图1（a）、图1（b）所示，附图1（a）和图1（b）从侧面证明了所使用的纳米材料是金纳米棒，以及金纳米棒的形貌；

2）含AuNRs杂化材料的混合液的制备

取正硅酸甲酯（TMOS）1.0ml,加入0.5ml去离子水（H₂O），聚乙二醇（PEG₄₀₀，分子量为400）、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷（P₁₂₃），其中PEG₄₀₀、P₁₂₃的量可调，见附表1【聚乙二醇（PEG₄₀₀）0.04g-0.48g，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷0.01g-0.12g】，形成杂化材料溶液；以上杂化材料溶液搅拌至透明澄清后，加入稀盐酸（HCl，质量分数为3%的水溶液）0.05g，敞口搅拌30min，然后封口，用针扎孔透气，混合液静置20h；再敞口搅拌60min后，取混合液150ul，向混合液中加入O.D.（光学密度）180的AuNRs水溶液110ul，搅拌至混合均匀，得到含AuNRs杂化材料的混合液；

3）存储光盘的组装（混合液用两种方法组装成光盘）。

第一种是直接浇铸法：取平底圆柱状容器，将含AuNRs杂化材料的混合液加入其中，压铸成片状，片状的厚度为1.5微米；

第二种旋涂镀膜法，如图2所示，在平台上固定玻璃基片，滴加含AuNRs杂化材料的混合液后，在500rpm(转/分钟)下旋转10s，再以1000rpm旋转60s，形成薄膜，薄膜的厚度为1.5微米。

以上两种方法得到的样品均需在封闭留小孔透气的容器内，40℃条件下热处理，其中薄膜样热处理1周，片状样品热处理1个月。

图3（a）是本发明杂化材料支撑的存储光盘示意图；图3（b）是玻璃基底光盘组装示意图。图4是本发明高密度长寿命数据存储光盘读写结果图，图4说明了该光盘记录数据的可行性。

表1、有机成分含量表

有机含量

10%

20%

30%

40%

50%

60%

PEG₄₀₀

0.04g

0.08g

0.144g

0.216g

0.328g

0.48g

P₁₂₃

0.01g

0.02g

0.036g

0.054g

0.082g

0.12g

Claims

1.一种高密度长寿命数据存储光盘，其特征在于：玻璃基片表面覆盖一层杂化材料薄膜；或者平底容器内表面覆盖一层杂化材料片样；杂化材料中分散着高密度的金纳米棒。

2.如权利要求1所述一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）制备AuNRs水溶液；

2）含AuNRs杂化材料的混合液的制备：将正硅酸甲酯、聚乙二醇、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷以及去离子水混合，形成杂化材料溶液，待溶液澄清后加入稀盐酸继续搅拌，得到混合液；再将制备好的AuNRs水溶液均匀分散在上述混合液中，得到含AuNRs杂化材料的混合液；

3）将含AuNRs杂化材料的混合液通过旋涂法在玻璃表面制成薄膜试样，或者采用压铸法将含AuNRs杂化材料的混合液制成片状样，得到高密度长寿命数据存储光盘。

3.根据权利要求2所述一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于，正硅酸甲酯、聚乙二醇、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷、去离子水、稀盐酸的配比为：1.0ml:0.04g-0.48g:0.01g-0.12g:0.5ml:0.05g。

4.根据权利要求2所述一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于，含AuNRs杂化材料的混合液、AuNRs水溶液的配比为：150ul:110ul。

5. 根据权利要求2所述一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于，AuNRs水溶液中金纳米棒的长度为15纳米-100纳米。

6.根据权利要求2所述一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于，在玻璃表面制成薄膜试样，薄膜的厚度为1.5微米。

7.根据权利要求2所述一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于，采用压铸法将含AuNRs杂化材料的混合液制成片状样，片状的厚度为1.5微米纳米。

8. 根据权利要求2所述一种高密度长寿命数据存储光盘的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

1）AuNRs水溶液的制备

取7.5ml浓度为0.1mol/L的CTAB溶液，加入0.25ml浓度为0.01 mol/L的HAuCl₄溶液，混合均匀后加入0.6ml浓度为0.01 mol/L的NaBH₄溶液，剧烈搅拌均匀后静置2小时，得到种子溶液；

取10ul的种子溶液加入到所配置的生长溶液中，混合均匀后静置2小时，离心分离并将沉淀物分散到去离子水中，即得到AuNRs水溶液；

2）含AuNRs杂化材料的混合液的制备

取正硅酸甲酯1.0ml,加入0.5ml去离子水，聚乙二醇、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷，聚乙二醇0.04g-0.48g，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷0.01g-0.12g，形成杂化材料溶液；以上杂化材料溶液搅拌至透明澄清后，加入稀盐酸0.05g，敞口搅拌30min，然后封口，用针扎孔透气，混合液静置20h；再敞口搅拌60min后，取混合液150ul，向混合液中加入AuNRs水溶液110ul，搅拌至混合均匀，得到含AuNRs杂化材料的混合液；

3）存储光盘的组装：

第一种是直接浇铸法：取平底容器，将含AuNRs杂化材料的混合液加入其中，压铸成片状；在封闭留小孔透气的容器内，40℃条件下热处理1个月，得至高密度长寿命数据存储光盘；

第二种旋涂镀膜法：在平台上固定玻璃基片，滴加含AuNRs杂化材料的混合液后，在500rpm下旋转10s，再以1000rpm旋转60s；在封闭留小孔透气的容器内，40℃条件下热处理1周，得至高密度长寿命数据存储光盘。