CN109704585A - 一种用于光信息存储的玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种BaSi₂O₅：Eu²⁺，Nd³⁺玻璃陶瓷的组分及其制备方法，目的在于制备出结构稳定，可用于实现紫外光存储和近红外激光激励下读取的玻璃陶瓷材料，涉及发光材料领域。该玻璃陶瓷组分为(摩尔比)：40‑75mol％SiO₂；0‑20mol％Al₂O₃；0‑20mol％Na₂CO₃；20‑50mol％BaO；0.05‑1.0mol％Eu₂O₃；0.05‑1.0mol％Nd₂O₃，上述组分的摩尔总量为100mol％。将粉体原料加热到1550‑1650℃后保温1‑12小时；成形、退火后，在650‑750℃加热保温1‑12小时。该玻璃陶瓷具有在350纳米紫外光辐照下呈现出主峰位于515纳米处归属于Eu²⁺：4f→5d的肉眼可见明亮绿光发射，关闭紫外光后，再利用波长为808纳米的近红外激光循环开闭辐照材料，呈现出随近红外激光开闭而出现和消失的515纳米绿光发射的光信息存储和读取性能。

Description

一种用于光信息存储的玻璃陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及固体发光材料领域，尤其是涉及一种能够应用于光信息存储的玻璃陶瓷及其制备。

背景技术

“大数据”时代的到来对存储介质的存储容量、使用寿命、存储能耗等提出了更高的要求，这使得以磁盘为主的传统存储介质存在的光学衍射极限限制等弊端日益突显。为解决该问题，研究人员采用增加光存储维度(如波长维度，光强维度，极化维度和寿命维度等)的方法来提高相同体积存储介质的存储容量。通过上述的多路复用技术，存储介质的存储能力有望成级数增加。在这样的背景下，一种特殊的余辉材料—光激励材料，也称电子俘获材料，受到了人们的广泛关注。该材料可以利用高能量光子将激发态电子束缚在深陷阱中，而后通过低能量光子的激励使束缚电子得以释放。

目前，研究中得到的光激励材料尚存在诸多缺点，例如卤化物(如BaFBr:Eu²⁺)和硫化物(如CaS:Eu²⁺,Dy³⁺)的物理稳定性和化学稳定性差，一些新颖的氧化物(如Sr₃SiO₅:Eu²⁺,Tm³⁺、Zn₃Ga₂SnO₈:Cr³⁺、Ca₄Ti₃O₁₀:Pr³⁺,Y³⁺)和氮氧化物(如SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺,Dy³⁺)的缺陷性质不够理想(缺陷深度不够深或缺陷分布不够窄或浅陷阱和深陷阱之间存在相互作用)。本发明为了解决上述问题，制备出结构稳定、具有合适缺陷性质的BaSi₂O₅：Eu²⁺，Nd³⁺玻璃陶瓷，并且该材料能够实现紫外光存储和近红外激光激励下读取。

发明内容

本发明提出一种BaSi₂O₅：Eu²⁺，Nd³⁺玻璃陶瓷的组分及其制备方法，目的在于制备出结构稳定，可用于实现紫外光存储和近红外激光激励下读取的光信息存储玻璃陶瓷材料。

本发明采用如下制备工艺：

(1)前驱玻璃基体的设计，该玻璃基体组分含量如下：40-75mol％SiO₂；1-20mol％Al₂O₃；1-20mol％Na₂CO₃；20-50mol％BaO；0.05-1.0mol％Eu₂O₃；0.05-1.0mol％Nd₂O₃，上述组分的摩尔总量为100mol％。

(2)将粉体原料按照一定组分配比研磨均匀后置于坩埚中，放入充氮气的气氛保护炉中加热到1550-1650℃后保温1-5小时，随后，将玻璃熔液快速倒入200℃预热过的铜模中成形；得到的玻璃块体置于电阻炉中退火以消除内应力，防止其开裂；退火后的玻璃继续在650-750℃加热保温1-12小时，可得到最终的玻璃陶瓷材料。

通过FLS920荧光光谱仪测量表明，在350纳米紫外光激发下，BaSi₂O₅：Eu²⁺，Nd³⁺玻璃陶瓷呈现出主峰位于515纳米处归属于Eu²⁺：4f→5d的肉眼可见明亮绿光发射。关闭紫外光后，再利用波长为808纳米的近红外激光循环开闭辐照材料，呈现出随近红外激光开闭而出现和消失的515纳米绿光发射；若利用先经过紫外光辐照的位置呈现绿光发射，未先被紫外光辐照的位置不呈现绿光发射的现象，将上述两种位置分别定义为二进制信息中的“1”和“0”，即可实现借助于本发明中材料的数字化编码。本发明中的玻璃陶瓷的光激励性能和缺陷性质优于绝大部分报导过的光存储材料，并且具有制备工艺简单、成本低廉等优势。所以本发明的BaSi₂O₅：Eu²⁺，Nd³⁺光激励玻璃陶瓷将可能成为一种有望实际应用的光信息存储材料。

附图说明

图1：BaSi₂O₅：Eu²⁺，Nd³⁺玻璃陶瓷的X射线衍射图。

图2：350纳米紫外光辐照后，808纳米近红外激光循环开闭辐照BaSi₂O₅：Eu²⁺，Nd³⁺玻璃陶瓷的光谱(检测515纳米光)。

具体实施方式

实例1：将分析纯的SiO₂；Al₂O₃；Na₂CO₃；BaO和纯度为99.99％的Eu₂O₃和Nd₂O₃粉体，按40SiO₂；15Al₂O₃；20Na₂CO₃；24.9BaO；0.05mol％Eu₂O₃；0.05mol％Nd₂O₃(摩尔比)的配比进行精准称量，在玛瑙研钵中研磨半小时以上使其均匀混合后置于氧化铝坩埚中，放入气氛保护炉中加热到1600℃，并保温2小时使之熔融，而后，将熔融液体迅速倒入200℃预热的模具中成形，获得的玻璃放入电阻炉中450℃退火4小时后随炉冷却，以消除玻璃内应力；将退火后的玻璃在750℃加热保温6小时后，即得到掺杂0.05mol％Eu²⁺和0.05mol％Nd³⁺的BaSi₂O₅玻璃陶瓷。X射线衍射数据表明在玻璃基体中析出了BaSi₂O₅晶相(如图1所示)。样品经过表面抛光，用FLS920荧光光谱仪测量其室温条件下，经过350纳米紫外光辐照后，再使用808纳米近红外激光循环开闭辐照样品，同时监测515纳米发射光的光谱；探测到随近红外激光开闭而出现和消失对应于Eu²⁺：4f→5d的绿光发射(如图2所示)。

实例2：将分析纯的SiO₂；Al₂O₃；Na₂CO₃；BaO和纯度为99.99％的Eu₂O₃和Nd₂O₃粉体，按55SiO₂；5Al₂O₃；5Na₂CO₃；34.5BaO；0.25mol％Eu₂O₃；0.25mol％Nd₂O₃(摩尔比)的配比进行精准称量。经过与实例1相同的制备和热处理过程后，得到掺杂0.25mol％Eu²⁺和0.25mol％Nd³⁺的BaSi₂O₅玻璃陶瓷。样品经过表面抛光，采用相同测试方法，通过FLS920荧光光谱仪的测量可观测到随近红外激光开闭而出现和消失的绿光发射(515纳米)。

实例3：将分析纯的SiO₂；Al₂O₃；Na₂CO₃；BaO和纯度为99.99％的Eu₂O₃和Nd₂O₃粉体，按60SiO₂；5Al₂O₃；5Na₂CO₃；29BaO；0.5mol％Eu₂O₃；0.5mol％Nd₂O₃(摩尔比)的配比进行精准称量。经过与实例1相同的制备和热处理过程后，得到掺杂0.5mol％Eu²⁺和0.5mol％Nd³⁺的BaSi₂O₅玻璃陶瓷。样品经过表面抛光，采用相同测试方法，通过FLS920荧光光谱仪的测量可观测到随近红外激光开闭而出现和消失的绿光发射(515纳米)。

实例4：将分析纯的SiO₂；Al₂O₃；Na₂CO₃；BaO和纯度为99.99％的Eu₂O₃和Nd₂O₃粉体，按65SiO₂；5Al₂O₃；5Na₂CO₃；23.5BaO；0.75mol％Eu₂O₃；0.75mol％Nd₂O₃(摩尔比)的配比进行精准称量。经过与实例1相同的制备和热处理过程后，得到掺杂0.75mol％Eu²⁺和0.75mol％Nd³⁺的BaSi₂O₅玻璃陶瓷。样品经过表面抛光，采用相同测试方法，通过FLS920荧光光谱仪的测量可观测到随近红外激光开闭而出现和消失的绿光发射(515纳米)。

Claims (4)

1.一种玻璃基体，其特征在于：所述玻璃基体的玻璃组分含量如下：40-75mol％SiO₂；1-20mol％Al₂O₃；1-20mol％Na₂CO₃；20-50mol％BaO 0.05-1.0mol％Eu₂O₃；0.05-1.0mol％Nd₂O₃，上述组分的摩尔总量为100mol％。

2.一种权利要求1所述的含Eu²⁺，Nd³⁺掺杂BaSi₂O₅玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：将粉体原料加热到1550-1650℃，形成玻璃熔体；熔体急冷成形、退火后，在650-750℃加热保温1-12小时，获得玻璃陶瓷。

3.一种权利要求2所述的含Eu²⁺，Nd³⁺掺杂BaSi₂O₅玻璃陶瓷的用途，其特征在于，用于光存储介质。

4.一种权利要求3所述Eu²⁺，Nd³⁺掺杂BaSi₂O₅玻璃陶瓷光存储介质，其特征在于，使用波长为350纳米的紫外激光作为写入光源，选择性对玻璃陶瓷样品的预定区域进行辐照；再利用波长为808纳米的近红外激光作为读取光源，进行全局扫描。未受到紫外光辐照位置，在近红外光激励下不能产生发光信号，可代表二进制数据中的“0”；而受到紫外光辐照位置，在近红外光激励下，可产生Eu²⁺:4f→5d绿光发射(515纳米)，代表二进制信息中的“1”，从而实现光信息的数字化编码和解码。