CN114207719B - 用于长期存储信息的方法和用于长期存储信息的存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种信息存储介质和一种用于长期存储信息的方法，所述方法包括以下步骤：提供陶瓷基板；用第二材料的层涂覆所述陶瓷基板，所述第二材料与所述陶瓷基板的材料不同，所述层具有不大于10μm的厚度；对所述涂覆的陶瓷基板进行回火以形成可写入板或盘；通过使用激光和/或聚焦的粒子束来操纵所述可写入板或盘的局部区域，以将信息编码在所述可写入板或盘上。

Description

用于长期存储信息的方法和用于长期存储信息的存储介质
技术领域
本发明涉及用于长期存储信息的方法和用于长期存储的信息存储介质。
背景技术
目前，有各式各样的信息存储选项可供选择。随着数字时代的到来，对廉价和高效的信息存储系统的需求已经迫在眉睫，并且出现了许多新的技术。然而，信息存储机制的激增带来了某些无法预料的后果。当今的信息存储系统非常脆弱且容易损坏。存储介质(例如硬盘机和光盘)的使用寿命只有几十年，并且只有在适当保存和维护它们的情况下才是如此。甚至较旧的技术(例如纸张和缩微胶卷)在最佳的情况下也只有几个世纪的寿命。所有这些信息存储技术都对热、湿气、酸等等敏感，并且因此可能容易劣化，从而导致信息损失。
随着对数据存储的需求呈指数增长，用于存储数据的方法变得越来越容易遭到破坏并且易受时间流逝的影响。然而，应保存许多类型的信息以防自然劣化，以为后代确保信息的延续。万一发生自然灾害(举例而言，例如太阳发射的强电磁辐射)，可能会损坏或破坏大量数据。因此，需要一种能够抵抗环境劣化并因此能够长时间存储信息的信息存储器。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于长期信息存储的方法和介质。
利用独立项的特征实现了此目标。从属项指的是优选的实施例。
根据第一方面，本发明涉及一种用于长期存储信息的方法。该方法包括以下步骤：提供陶瓷基板；用第二材料的层涂覆该陶瓷基板，该层具有不大于10μm的厚度；对该涂覆的陶瓷基板进行回火以形成可写入板；和通过使用例如激光或聚焦的粒子束(例如聚焦的离子束、聚焦的电子束等等)来操纵该可写入板的局部区域，以将信息编码在该可写入板上。
操纵该可写入板的这些局部区域可以包括以下步骤：对该可写入板的这些局部区域进行加热、分解、氧化、烧蚀、和/或蒸发。如果使用激光，则激光一般会加热激光束的冲击区域，这又可以使得冲击区域内或附近的材料分解、氧化、烧蚀、和/或蒸发。在聚焦粒子束的情况下，可以涉及其他机制。例如，聚焦离子束的冲击可以直接造成从冲击区域烧蚀原子。
操纵可写入板的局部区域将信息编码在可写入板上。此编码可以基于各种物理和/或化学过程。优选地，所述操纵使得局部区域变得与周围材料可区别。对于一些应用而言，此可以包括实现光学可区别性。然而，在其他情况下(特别是，在编码的结构太小时)，仅能通过例如扫描电子显微镜或对另一种物理参数改变(例如磁性、介电、或导电性质)的测量来将局部区域与周围材料区别开来。
用语“在光学上可区别”可以指由于色彩和/或暗/亮和/或反射的对比而由肉眼可区别。然而，该用语也包含可见光谱之外的光谱(例如红外线和/或紫外线光谱)的光学差异。然后，局部区域可以通过在光谱的相应部分中敏感的光学读取器或扫描仪而在光学上可区别。可以使用例如韦伯(Weber)对比来测量光学可区别性，其中编码在可写入板上的信息的韦伯对比分数为优选地至少1％、更优选地至少3％、甚至更优选地至少5％。对于由例如高度聚焦的粒子束所产生的小于200nm的结构而言，即使紫外线光谱也不能产生令人满意的结果。在这些情况下，可以使用扫描电子显微镜(SEM)来扫描用奈米等级编码的信息。在测量光学参数以外的参数(例如磁性、介电、或导电性质)以供译码的情况下，可以用类似的方式应用韦伯对比。例如，可以优选的是，将物理参数p用于编码。接着优选的是，1-pmin/pmax等于至少1％、更优选地至少3％、甚至更优选地至少5％，其中pmin和pmax分别与整个可写入板上的参数p的最小值和最大值相关。
优选地将第二材料的层直接涂覆到陶瓷基板上(即，不存在任何中间层)以便在回火期间实现陶瓷基板与第二材料的层之间的强力结合。然而，回火可以在陶瓷基板与第二材料的层之间产生烧结的界面。烧结的界面可以包括来自基板材料和第二材料的至少一种元素，因为来自两个相邻的层中的一个的一种或多种元素可以扩散到两个相邻的层中的另一个层中。烧结的界面的存在可以进一步强化陶瓷基板与第二材料的层之间的结合。
第二材料的层优选地是连续的，并且优选地延伸于陶瓷基板的大部分(例如至少80％、或至少90％)上、更优选地是延伸于整个陶瓷基板上。这允许一方面的局部区域与另一方面的基板的大部分或全部之间的光学对比相同。优选地，第二材料与陶瓷基板的材料不同，即，第二材料可以具有与陶瓷基板的材料不同的元素组成，或第二材料和陶瓷基板就它们显微结构(例如它们的结晶状态等等)的角度而言相异。然而，本发明仅需要操纵局部区域之后一定的光学对比。因此，如果操纵的材料与周围的材料在光学上可区别就足够了。然而，在一些情况下，可以由移除局部区域中的材料而引起光学对比。技术人员将了解，也可以通过如上文所概述的其他物理参数来实现对比。
回火是一种可以在某些材料(例如陶瓷和金属)上执行以通过变更材料的基础物理或化学性质来改善它们的耐久性的工艺。回火工艺可以协助将第二材料永久固定到陶瓷基板。在一些情况下，第二材料的一部分可以对下伏的陶瓷基板形成化学键，举例而言，例如金属间键或陶瓷间键。回火可以改进基板与第二材料之间的粘着以及第二材料的层的硬度达至少5％、优选地达至少10％。并且，回火可以如上文所论述地产生烧结的界面。
如果在含有氧气的大气中执行回火，则第二材料的层的暴露于氧气的表面或最顶子层可以至少部分地被氧化。因此，可以在第二材料的层的顶部上形成金属氧化物层。这可以进一步增加硬度和/或熔点和/或对腐蚀性环境的抗性。
可以使用具有充足功率的激光或聚焦的粒子束(例如聚焦的离子束、聚焦的电子束)来变更第二材料(和可选的金属氧化物层)的局部区域，使得它们优选地变得与材料的周围部分可区别。取决于用于第二材料的特定材料，可以通过入射的激光或粒子束来加热、分解、氧化、烧蚀、和/或蒸发局部区域。因此，厚度小于10μm的第二材料层允许容易和快速地通过激光或粒子束来变更这些局部区域。在实验期间，事实证明，如果使用厚度扩展到10μm的层，则精确地对信息进行编码要困难得多。然而，根据本发明的另一个方面，第二材料的层的厚度大于10μm。
提供如本文中所述的具有涂有第二材料层的回火的陶瓷基板的可写入板允许在该可写入板上进行信息存储，该信息存储能够高度抵抗湿气、电/磁场、酸、腐蚀性物质等等，使得编码的可写入板提供其他常用的信息存储介质无法提供的耐久性。
优选地，用于长期信息存储的方法的陶瓷基板包括氧化陶瓷，更优选地该陶瓷基板包括至少90重量百分比、最优选地至少95重量百分比的以下项中的一个或组合：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3、或任何其他氧化陶瓷材料。已知这些材料在各种情况下特别耐久和/或抵抗环境劣化。因此，这些材料特别适于在不同的条件下进行长期存储。特别优选的是，陶瓷基板包括Al2O3、ZrO2、ThO2、和/或MgO中的一个或组合。
优选地，陶瓷基板包括非氧化陶瓷，更优选地该陶瓷基板包括至少90重量百分比、最优选地至少95重量百分比的以下项中的一个或组合：金属氮化物，例如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，例如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属硼化物，例如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；和金属硅化物，例如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si，或任何其他非氧化陶瓷材料。已知这些材料在各种情况下特别耐久和/或抵抗环境劣化。因此，这些材料特别适于在不同的条件下进行长期存储。特别优选的是，陶瓷基板包括BN、CrSi2、SiC、和/或SiB6中的一个或组合。
优选地，陶瓷基板包括Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的熔点的其他金属中的一个或组合。优选地，陶瓷材料和金属形成金属基质复合物，其中陶瓷材料分散在金属或金属合金中。优选地，金属等于陶瓷基板(即，金属基质复合物)的5-30重量百分比、优选地10-20重量百分比。特别优选的金属基质复合物为：WC/Co-Ni-Mo、BN/Co-Ni-Mo、TiN/Co-Ni-Mo、和/或SiC/Co-Ni-Mo。
优选地，第二材料包括以下项中的至少一个：金属，例如Cr、Co、Ni、Fe、Al、Ti、Si、W、Zr、Ta、Th、Nb、Mn、Mg、Hf、Mo、V；或陶瓷材料，例如金属氮化物，例如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，例如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属氧化物，例如Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3；金属硼化物，例如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；金属硅化物，例如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si；或任何其他陶瓷材料；优选地其中该第二材料包括CrN和/或CrAlN。这些材料提供了充足的硬度和对环境劣化的抗性。并且，所述材料可以提供相对于下伏陶瓷基板充足的视觉对比。并且，实验表明，一旦回火，这些材料就坚固地结合到上述的基板。因此，可以实现层与基板之间耐久、永久的连接。特别优选的是，第二材料包括Co、Ni、B4C、HfC、Cr2O3、ZrB2、CrB2、SiB6、Si3N4、ThN、CrN、和/或CrAlN中的一个或组合。
在本发明的背景脉络下，各种材料性质可以起着重要的作用。首先，基板和涂覆层的材料需要足够耐久、稳定、且具抗性。并且，需要涂覆层与基板材料之间强力的结合或连接。此外，第二材料的层需要适于被本文中所论述的技术中的一个或多个操纵。最后，可以利用两种材料来建立足够的对比是有益的。考虑到所有这些限制，以下材料组合是特别优选的：Al2O3/CrN、Al2O3/Co、ZrO2/ZrB2、Al2O3/SiC、SiB6/Cr2O3、SiC/HfC、BN/ZrB2、BN/ZrB2、BN/B4C、BN/ThN、和CrSi2/Si3N4。
一般而言，可以将适于实现薄涂层的任何技术用于用第二材料的层涂覆陶瓷基板，例如物理气相沉积、溅射、化学气相沉积、或任何其他薄膜涂覆方法。优选地，使用物理气相沉积来用第二材料的层涂覆陶瓷基板。这特别允许可靠地提供非常薄的涂覆层，其连续地覆盖基板而没有任何可能被误解为编码的信息的缺陷。因为可能难以将PVD用于上述材料中的一些，优选的是，在物理气相沉积期间，将陶瓷基板定位在第二材料的来源与导电板和/或线栅的中间。定位在陶瓷基板后方的板或栅有助于引导第二材料的蒸气粘着到(不导电的)陶瓷基板。
优选地，第二材料的层具有不大于10μm、更优选地不大于5μm、甚至更优选地不大于1μm、甚至更优选地不大于100nm、甚至更优选地不大于10nm的厚度。
通过提供第二材料的薄层，可以更快速且有效地执行对第二材料的局部区域的激光或粒子束移除。并且，如果第二材料的层更薄，则可以更精确地变更小得多的局部区域。因此，可以改善每个区域的信息含量。
优选地，对涂覆的陶瓷基板进行回火涉及将涂覆的陶瓷基板加热到200℃到4,000℃的范围内、更优选地1,000℃到2,000℃的范围内的温度。回火工艺可以包括：加热阶段，其具有至少每小时10K的温度增加；高原阶段，其处于峰值温度达至少1分钟；和最后的冷却阶段，其具有至少每小时10K的温度减少。回火工艺可以协助硬化陶瓷基板和/或永久地将第二材料结合到陶瓷基板。
优选地，将可写入板的局部区域至少加热到第二材料的熔化温度，使得将第二材料的局部区域加热到至少3,000℃、更优选地至少3,200℃、最优选地至少3,500℃、最优选地至少4,000℃的温度。对可写入台的局部区域的激光或粒子束烧蚀可以露出下伏的陶瓷基板，导致操纵的区域相对于可写入板的其余部分(在光学上)可区别的对比。
优选地，激光被配置为产生激光，该激光具有波长，该波长在10nm到30μm的范围内、优选地在100nm到2,000nm的范围内、更优选地在200nm到1,500nm的范围内。
优选地，由激光所发射的激光具有不大于50μm、更优选地不大于15μm、更优选地不大于10μm、更优选地不大于5μm、更优选地不大于1μm、更优选地不大于500nm、更优选地不大于100nm的最小焦直径。小的焦直径允许用较高的密度将信息编码在可写入板上。
优选地，将超短脉冲激光(飞秒或阿秒脉冲)用于对信息进行编码。这允许实现不大于10μm的最小焦直径和宽度不大于5μm、更优选地不大于1μm、更优选地不大于500nm、更优选地不大于100nm的结构。
优选地，由聚焦粒子束设备所发射的粒子束具有不大于5μm、更优选地不大于1μm、更优选地不大于100nm、更优选地不大于10nm的最小焦直径。极小的焦直径允许用超高的密度将信息编码在可写入板上。
优选地，本方法进一步包括以下步骤：读取编码在可写入板上的信息，更优选地是使用数字扫描仪、激光扫描显微镜、或扫描电子显微镜来读取。
优选地，将信息编码成模拟格式，最优选地使用字母、符号、相片、图片、图像、图形、和/或其他形式来将信息更优选地编码成人类可读格式。人类可读信息具有在没有技术协助的情况下可用的益处。
优选地，将信息编码成计算机可读取格式，更优选地其中将该信息编码成数字格式，甚至更优选地其中将该信息编码为QR码和/或iQR码和/或任何其他数字编码和加密方法。计算机可读取信息具有将较大量的数据存储在较小面积内的益处，并且可以与现代或未来的技术兼容。
优选地，可写入板的区域包括至少每平方厘米1千字节的信息、更优选地至少每平方厘米1万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米10万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米100万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米1000万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米1亿字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米10亿字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米100亿字节的信息。较大的信息存储密度允许存储较大量的信息。
根据第二方面，本发明与一种用于长期存储信息的方法相关，该方法包括以下步骤：提供钨基板；用第二材料的层涂覆该钨基板，该层具有不大于10μm的厚度；对涂覆的该基板进行回火以形成可写入板；和通过使用例如激光或聚焦的粒子束(例如聚焦的离子束、聚焦的电子束等等)来操纵该可写入板的局部区域，以将信息编码在该可写入板上。
因为Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的高熔点的其他金属的合金是极度耐久的材料，所以也可以通过将Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的高熔点的其他金属的合金用作基板材料来实现上文关于陶瓷基板所论述的益处。单纯通过用Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的高熔点的其他金属的合金作为基板替换陶瓷基板，也可以在本发明的第二方面的背景脉络下采用上文关于根据利用陶瓷基板的第一方面的方法所论述的所有特征。
根据第三方面，本发明与一种用于长期存储信息的信息存储介质相关，该信息存储介质包括可写入板，该可写入板包括涂有第二材料的层的陶瓷基板以及该陶瓷基板与该第二材料的该层之间的烧结的界面，其中该第二材料与该陶瓷基板的材料不同，其中该烧结的界面包括来自该基板材料和该第二材料的至少一种元素，其中该第二材料的该层具有不大于10μm的厚度。
优选地，信息存储介质的陶瓷基板包括氧化陶瓷，更优选地其中该陶瓷基板包括至少90重量百分比、甚至更优选地至少95重量百分比的以下项中的一个或组合：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3、或任何其他氧化陶瓷材料。
优选地，信息存储介质的陶瓷基板包括非氧化陶瓷，更优选地其中该陶瓷基板包括至少90重量百分比、甚至更优选地至少95重量百分比的以下项中的一个或组合：金属氮化物，例如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，例如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属硼化物，例如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；和金属硅化物，例如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si，或任何其他非氧化陶瓷材料。
特别优选的是，陶瓷基板包括BN、CrSi2、SiC、和/或SiB6中的一个或组合。
优选地，陶瓷基板包括Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的熔点的其他金属中的一个或组合。优选地，陶瓷材料和金属形成金属基质复合物，其中陶瓷材料分散在金属或金属合金中。优选地，金属等于陶瓷基板(即，金属基质复合物)的5-30重量百分比、优选地10-20重量百分比。特别优选的金属基质复合物为：WC/Co-Ni-Mo、BN/Co-Ni-Mo、TiN/Co-Ni-Mo、和/或SiC/Co-Ni-Mo。
优选地，信息存储介质的第二材料包括以下项中的至少一个：金属，例如Cr、Co、Ni、Fe、Al、Ti、Si、W、Zr、Ta、Th、Nb、Mn、Mg、Hf、Mo、V；金属氮化物，例如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，例如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属氧化物，例如Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3；金属硼化物，例如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；金属硅化物，例如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si；或任何其他陶瓷材料；优选地其中该第二材料包括CrN和/或CrAlN。
优选地，第二材料的层具有不大于10μm、更优选地不大于5μm、甚至更优选地不大于1μm、甚至更优选地不大于100nm、甚至更优选地不大于10nm的厚度。
优选地，信息存储介质进一步包括用第二材料的局部区域的形式编码到可写入板上的信息，这些局部区域优选地与周围的第二材料可区别。可写入板可以在其上有编码或没有编码信息的情况下长期存储。
优选地，第二材料的局部区域已经被激光或粒子束处理过。对第二材料的激光或粒子束烧蚀可以从局部区域完全移除第二材料。这可以在操纵的区域与周围的第二材料之间提供(在光学上)可区别的对比。
优选地，用信息区块的方式将信息分布在可写入板上，其中每个区块均不大于100mm×100mm、更优选地不大于24mm×36mm、更优选地不大于10mm×10mm、更优选地不大于1mm×1mm、更优选地不大于0.1mm×0.1mm。信息区块可以帮助组织信息和用由数字扫描仪容易可读取的方式呈现信息。
优选地，可写入板的区域包括至少每平方厘米1千字节的信息、更优选地至少每平方厘米1万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米10万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米100万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米1000万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米1亿字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米10亿字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米100亿字节的信息。在可写入板上提供高的信息密度允许每个板存储更多的信息，并且可以减少生产成本。
优选地，陶瓷基板具有平板或计算机可读取盘的形状。平板或计算机可读取盘的形状可以允许计算机或数字扫描仪容易读取编码的信息且兼容于现有的扫描系统。
根据第四方面，本发明涉及一种用于长期存储信息的信息存储介质，该信息存储介质包括可写入板，该可写入板包括涂有第二材料的层的钨基板以及该钨基板与该第二材料的该层之间的烧结的界面，其中该第二材料与该基板的材料不同，其中该烧结的界面包括来自该基板材料和该第二材料的至少一种元素，其中该第二材料的该层具有不大于10μm的厚度。
因为Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的高熔点的其他金属的合金是极度耐久的材料，所以也可以通过将Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的高熔点的其他金属的合金用作基板来实现上文关于陶瓷基板所论述的益处。单纯通过用Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo、或具有大于1,400℃的高熔点的其他金属的合金作为基板替换陶瓷基板，也可以在本发明的第四方面的背景脉络下采用上文关于根据利用陶瓷基板的第三方面的信息存储介质所论述的所有特征。
根据第五方面，本发明与一种将信息存储介质用于长期信息存储的用途相关。
优选地，在使用时，将可写入板存储达至少10年、更优选地至少100年、更优选地至少1,000年、更优选地至少10,000年、甚至更优选地至少100,000年的时间。
附图说明
将参照优选的示例性实施例在以下文本中更详细地解释本发明的目标，这些优选的示例性实施例绘示在附图中，在这些附图中：
图1示意性地描绘用于长期存储信息的信息存储介质；
图2示意性地描绘涂覆陶瓷基板的物理气相沉积的工艺的示例；
图3示意性地示出使用激光来将可写入板编码为具有信息的示例的透视图；和
图4示出根据一个示例的雕刻的产品的相片。
原则上，在图式中将相同的参考符号提供给相同的部件。
具体实施方式
图1绘示根据本发明的信息存储介质100的示意版本。信息存储介质100包括可写入板110。在此示例中，可写入板110已经编码有信息120。
为了产生此类信息存储介质100，本文中描述了用于长期存储信息的方法。起初，提供陶瓷基板150(参照图3)，然后用第二材料170的层涂覆陶瓷基板150。第二材料170的层的厚度不大于50μm。在涂覆陶瓷基板150之后，使第二材料170经受回火工艺以形成可写入板110。可写入板可以被存储直到准备好使用为止，或可以随后使用例如激光190来编码为具有信息120。激光190朝向第二材料170的层引导，然后例如加热第二材料170的落在激光束的射束之内的局部区域，使得这些局部区域接着变得例如与周围的第二材料170在光学上可区别。现将更详细地描述此方法。
起初提供的陶瓷基板150可以包括可写入板110的大部分的材料重量百分比。多种不同的材料可以用于陶瓷基板150。在某些配置中，陶瓷基板150包括氧化陶瓷，该氧化陶瓷包括以下项中的至少一个：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3、或任何其他氧化陶瓷材料。或者，陶瓷基板可以包括非氧化陶瓷，该非氧化陶瓷包括以下项中的至少一个：金属氮化物，例如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，例如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属硼化物，例如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；和金属硅化物，例如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si，或任何其他非氧化陶瓷材料。存在的氧化或非氧化陶瓷的量可以变化。优选地，氧化或非氧化陶瓷的量占陶瓷基板150的至少90重量百分比。更优选地，氧化或非氧化陶瓷基板的量占陶瓷基板150的至少95重量百分比。一个优选的配置是陶瓷基板150包括至少90重量百分比的Al2O3。
第二材料170被形成为陶瓷基板150上的层。与陶瓷基板150的厚度相比，第二材料170的层是薄的层，第二层170的厚度最多50μm。第二材料170可以主要包括以下项中的至少一个：金属，例如Cr、Co、Ni、Fe、Al、Ti、Si、W、Zr、Ta、Th、Nb、Mn、Mg、Hf、Mo、V；金属氮化物，例如CrN、CrAlN、TiN、TiCN、TiAlN、ZrN、AlN、VN、Si3N4、ThN、HfN、BN；金属碳化物，例如TiC、CrC、Al4C3、VC、ZrC、HfC、ThC、B4C、SiC；金属氧化物，例如Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3；金属硼化物，例如TiB2、ZrB2、CrB2、VB2、SiB6、ThB2、HfB2、WB2、WB4；金属硅化物，例如TiSi2、ZrSi2、MoSi2、WSi2、PtSi、Mg2Si；或任何其他陶瓷材料；优选地其中该第二材料包括CrN和/或CrAlN。
一个优选的配置是第二材料170的层主要包括CrN和/或CrAlN。重要的是，用于第二层170的材料在回火之后相对于陶瓷基板150的材料提供了足够程度的例如光学对比。
就色彩和/或亮度的角度而言，光学对比的程度可以对人类观察者可见。或者，光学对比可以在不可见的波长中由自动化系统所侦测到。然后，局部区域可以通过在光谱的相应部分中敏感的光学读取器或扫描仪而在光学上可区别。可以使用韦伯(Weber)对比来测量光学对比，其中编码在可写入板上的信息的韦伯对比分数为优选地至少1％、更优选地至少3％、更优选地至少5％。然而，在其他情况下(特别是，在编码的结构太小时)，仅能通过例如扫描电子显微镜或对另一种物理参数改变的测量来将局部区域与周围材料区别开来。
图2绘示用于使用物理气相沉积(PVD)来将第二材料170涂覆到陶瓷基板150上的示例性方法。在PVD工艺中，将陶瓷基板150与第二材料源160一起安置到物理气相沉积腔室中。在物理气相沉积腔室上抽真空，并且加热第二材料源160，直到包含在其中的第二材料162的大部分蒸发或升华为止。第二材料的空中传播的颗粒164接着分散在整个物理气相沉积腔室内，直到它们接触陶瓷基板150的表面152且粘着到该表面为止。
虽然物理气相沉积是常用于涂覆金属基板的方法，但涂覆陶瓷基板可以证明让颗粒粘着到陶瓷基板是有挑战性的。因此，为了改善第二材料颗粒164对陶瓷基板表面152的粘着，可以将导电金属丝网或导电金属板180安置在陶瓷基板150的远侧上，使得陶瓷基板150定位在金属丝网180与第二材料源160之间。此类导电网格/板180在传导电流时可以吸引第二材料164的离子化的颗粒，这些离子化的颗粒接着遭遇陶瓷基板150的表面152并且保持抵着彼处，使得它们接着粘着到陶瓷基板的表面152。也可以重复此涂覆工艺以涂覆陶瓷基板的多个不同表面。
可以使用其他涂覆方法来执行将第二材料170的层沉积在陶瓷基板150上，例如溅射或升华夹层涂覆。基本上，可以使用能够产生厚度最大为50μm的第二材料170的层的任何方法。优选地，第二材料的层可以具有最大10μm的厚度。更优选地，第二材料170可以具有5μm的最大厚度。甚至更优选地，第二材料170可以具有1μm、甚至更优选地不大于100nm、甚至更优选地不大于10nm的最大厚度。第二材料170的薄层的有利之处可以在于，对可写入板110的激光或粒子束烧蚀可以接着是更容易的，从而造成更快速、更少能量消耗的编码过程。第二材料170可以不一定覆盖整个陶瓷基板150。而是，可以用第二材料170仅涂覆陶瓷基板150的一部分或陶瓷基板150的单个侧面152。
一旦用第二材料170涂覆了陶瓷基板150，接着就使涂覆的陶瓷基板经历回火工艺。一般将回火了解为是改善材料的强度和/或其他质量的工艺。在陶瓷的情况下，回火可以涉及加热陶瓷物品，使其化学成分经历化学和/或物理改变，使得物品变得稳定或硬化。对涂覆的陶瓷基板进行回火可以涉及将涂覆的陶瓷基板150加热到200℃到4000℃的范围内、优选地1000℃到2000℃的范围内的温度。回火工艺可以包括：加热阶段，其具有至少每小时10K的温度增加；高原阶段，其处于峰值温度达至少1分钟；和最后的冷却阶段，其具有至少每小时10K的温度减少。回火工艺可以协助将第二材料170永久固定到陶瓷基板150。在一些情况下，第二材料层170的一部分可以对下伏的陶瓷基板150形成化学键。在将陶瓷基板150与第二材料170一起进行回火之后，形成了可写入板110。可写入板110的性质由可写入板110内所使用的确切材料所决定。现在可以将可写入板110存储或直接编码为具有信息120。
图3描绘将信息编码到可写入板110上。在编码期间，激光190将准直的激光引导到可写入板110的第二材料170的层上。激光束变更第二材料170在局部区域175内的部分，使得该部分与周围的第二材料170(在光学上)可区别。优选地，激光或聚焦的粒子束将第二材料170的局部区域175至少加热到第二材料170的熔化温度。第二材料170的熔点取决于其化学组成。优选地，将局部区域175加热到超过熔点可以涉及将局部区域加热到至少3,000℃、更优选地至少3,200℃、且更优选地至少3,500℃、最优选地至少4,000℃的温度。赋予这些局部区域如此高的温度可以使得局部区域175内的第二材料170快速膨胀。这种快速膨胀可以使得局部区域175内的第二材料170被烧蚀和/或蒸发。因为第二材料170相对于下伏的陶瓷基板150提供了光学对比，可以通过激光或聚焦的粒子束来将局部区域175形成符号、字母、线、相片、图片、图像、图形、或其他形式，藉此将信息编码到可写入板110中。优选地，编码的信息120相对于第二材料170的其余部分展现了至少1％、更优选地至少3％、更优选地至少5％的韦伯对比分数。在优选的配置中，第二材料170在回火之后展现出不透明的灰色/黑色色彩，而陶瓷基板150展现出黄色/白色色彩。因此，在激光或聚焦的粒子束编码之后，信息存储介质100相对于深色的背景展现出白色的字母/符号。
用于激光编码方法的合适激光波长可以包括在10nm到30μm的范围内、优选地在100nm到2000nm的范围内、更优选地在200nm到1500nm的范围内的波长。进一步重要的是激光或聚焦粒子束的最小焦直径，其指示可以编码在可写入板110上的符号、字母、相片、图片、图像、图形、和/或其他形式的最小尺寸。优选地，激光或聚焦的粒子束190能够将激光或聚焦的粒子束聚焦到具有不大于50μm、优选地不大于15μm、更优选地不大于10μm的最小焦直径。在此类条件下，2,500dpi的分辨率是可能的，从而允许将5,000个符号/字母编码在1平方厘米的空间内。这也可以使得能够在单个20cm×20cm的可写入板内用每页2,000个字母印刷1000页的书(约2百万个符号/字母)。
如果字母/符号够大，则可以由眼睛执行读出编码的文字的操作。优选地，可以通过使用数字扫描仪使用诸如光学字符辨识(OCR)等方法来读出编码的信息。此类数字扫描仪可以用更易于人类阅读的尺寸快速和准确地再生编码的信息。如先前所述，可以使用多种不同的格式将信息120编码在可写入板110上。可以使用字母、符号、相片、图片、图像、图形、和/或其他形式将信息120编码成人类可读的格式。也可以使用例如QR码或iQR码和/或任何其他数字编码和加密方法将信息120编码成计算机可读取的格式。此类计算机可读取编码方法的使用可以用来进一步增加信息存储介质100的信息密度。例如，iQR码可以允许将40,000个字符存储在1平方厘米内，或相当于将8-16兆字节存储在20cm×20cm的可写入板上。优选地，可写入板可以存储最少每平方厘米1千字节的信息、更优选地至少每平方厘米1万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米10万字节的信息、且甚至更优选地至少每平方厘米100万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米1000万字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米1亿字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米10亿字节的信息、甚至更优选地至少每平方厘米100亿字节的信息。
为了容易读取和/或扫描，可以将信息编码到可写入板上且在相异的区块内。这些信息区块(在图1中指示为B)优选地不大于100mm×100mm，更优选地不大于24mm×36mm，更优选地不大于10mm×10mm，更优选地不大于1mm×1mm，更优选地不大于0.1mm×0.1mm。
可以由用户的需要和待编码的信息120的类型决定可写入板110的形式。在一些情况下，可以将可写入板110形成成平板形状以供存储，其优选地不大于200mm×200mm，更优选地不大于100mm×100mm，更优选地不大于10mm×10mm。在其他情况下，直径不大于30cm、更优选地不大于12cm、更优选地不大于8cm的计算机可读取盘形状可以是优选的。
根据本发明的信息存储介质100能够抵抗环境劣化且优选地能够耐得住-273℃(0°K)与1200℃之间的温度而不会遭受信息损失。信息存储介质100也可以抵抗电磁脉冲、水损伤、腐蚀、酸、和/或其他化学物质。可以预期，如本文中所述的信息存储介质100可以保存信息120达至少10年、优选地至少100年、更优选地至少1,000年、优选地至少10,000年、更优选地至少100,000年的时间段。在某些存储条件(包括将信息存储介质100存储在地下盐丘内)下，信息存储介质可以能够保存信息达至少1百万年。
下文将描述一个特别优选的示例。
将由在CeramTec GmbH(德国)处可取得的含有至少96％的Al2O3且具有20cm×20cm的尺度的Rubalit 708s制成的陶瓷基板用作原料。
使用物理气相沉积用CrN层涂覆具有10cm×10cm的尺寸和1mm的厚度的所述陶瓷基板的板。为此目的，将陶瓷板安装在由钢制成且尺寸为10cm×10cm的导电板上。将陶瓷板与导电板一起送入从Oerlikon Balzers AG(利希滕斯泰因(Lichtenstein))可取得的物理气相沉积机器。
接着在小于250℃的工艺温度下使用来自Oerlikon Balzers AG的增强溅射工艺BALI-
Figure BDA0003498644910000151
 CNI来执行物理气相沉积。
在沉积之后，具有3μm的恒定厚度的CrN层出现在陶瓷基板的一侧(其与面向导电板的侧面相对)上。
随后，在从Nabertherm GmbH可取得的分批式炉模型“N 150/H”中对涂覆的陶瓷基板进行回火。为了回火，在2小时内将温度从室温(20℃)升高到1,000℃。接着用100K/h的速率将温度从1,000℃增加到1,200℃，并且维持1,200℃的最大温度达5分钟。随后，在6小时内用-200K/h的速率冷却基板。
在回火之后，材料堆叠物包括陶瓷基板、厚度为约2-2.5μm的CrN涂覆层、和厚度为约0.5-1μm的Cr2O3的另外的金属氧化物层。类似的金属氧化物层已被描述于Z.B.Qi等人的论文(Thin Solid Films期刊第544卷(2013年)第515-520页)中。
金属氧化物表面具有深色、几乎黑色的外观。
使用从Trotec Laser GmbH(澳洲)可取得的ProMarker 100激光，将具有单行字型的文字和QR码写入到两个上部的涂层中。为此目的，在20kHz的频率下施加功率最大为5W的1064nm的波长下的100ns的脉冲。
通过具有100mm的焦距的透镜来将激光聚焦。激光的焦点具有约25μm的宽度，从而产生宽度为约15μm的编码结构或1,750dpi的微铭刻。
编码的线/表面具有浅色、几乎白色的外观，并且相对于深色金属氧化物环绕表面清楚可见。示出铭刻的产品的细节的相片示于图4中。
虽然已经在附图和前述说明中详细地说明和描述了本发明，但要将此类说明和描述认为是说明性或示例性且非限制性的；因此，本发明不限于所公开的实施例。可以通过本领域中的技术人员且根据对附图、揭示内容、和随附权利要求的研究实行所要求保护的发明来了解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，用字“包括”并不排除其他构件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除复数且可以意指“至少一个”。

Claims (16)

1.一种用于长期存储信息的方法，所述方法包括以下步骤：
提供陶瓷基板(150)；
用第二材料(170)的层涂覆所述陶瓷基板(150)，所述第二材料与所述陶瓷基板(150)的材料不同，所述层具有不大于10μm的厚度；
对所述涂覆的陶瓷基板进行回火以强化所述陶瓷基板与所述第二材料的层之间的结合从而形成可写入板(110)；
通过使用激光和/或聚焦的粒子束来操纵所述可写入板(110)的局部区域，以将信息编码(120)在所述可写入板(110)上。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷基板(150)包括氧化陶瓷或非氧化陶瓷。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述陶瓷基板(150)包括陶瓷材料和金属，所述金属包括以下项中的一个或组合：Ni、Cr、Co、Fe、W、Mo。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述陶瓷材料和所述金属形成金属基质复合物。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二材料包括以下项中的至少一个：金属或陶瓷材料。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中操纵所述可写入板(110)的所述局部区域包括以下步骤：对所述局部区域进行加热、分解、氧化、烧蚀、和/或蒸发；和/或操纵所述可写入板(110)的所述局部区域使得至少部分地从所述可写入板(110)的所述局部区域移除所述第二材料的所述层。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中对所述涂覆的陶瓷基板进行回火在所述陶瓷基板(150)与所述第二材料(170)的所述层之间产生烧结的界面。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中对所述涂覆的陶瓷基板进行回火至少使得所述第二材料(170)的所述层的最顶子层氧化，以及其中操纵所述可写入板(110)的所述局部区域使得至少部分地从所述可写入板(110)的所述局部区域移除所述氧化的子层。
9.一种用于长期存储信息的信息存储介质(100)，所述信息存储介质(100)包括可写入板(110)，所述可写入板(110)包括涂有第二材料(170)的层的陶瓷基板(150)以及所述陶瓷基板(150)与所述第二材料(170)的所述层之间的烧结的界面，其中所述第二材料与所述陶瓷基板(150)的材料不同，其中所述烧结的界面包括来自所述基板材料和所述第二材料的至少一种元素，并且其中所述第二材料的所述层具有不大于10μm的厚度。
10.如权利要求9所述的信息存储介质，其中所述陶瓷基板(150)包括至少90重量百分比的以下项中的一个或组合：Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、ThO2、MgO、Cr2O3、Zr2O3、V2O3。
11.如权利要求9所述的信息存储介质，其中所述陶瓷基板(150)包括至少90重量百分比的以下项中的一个或组合：金属氮化物；金属碳化物；金属硼化物；和金属硅化物。
12.如权利要求9-11中任一项所述的信息存储介质，其中所述第二材料包括以下项中的至少一个：金属或陶瓷材料。
13.如权利要求9-12中任一项所述的信息存储介质，进一步包括：氧化物层，在所述第二材料(170)的所述层的顶部上，其中所述氧化物层包括所述第二材料的一种或多种氧化物。
14.如权利要求13所述的信息存储介质，所述信息存储介质(100)进一步包括用所述氧化物层的局部区域的形式编码到所述可写入板(110)上的信息(120)。
15.如权利要求9-14中任一项所述的信息存储介质，其中所述可写入板(110)的区域包括至少每平方厘米1千字节的信息。
16.如权利要求9-13中任一项所述的信息存储介质，所述信息存储介质(100)进一步包括用所述第二材料的局部区域的形式编码到所述可写入板(110)上的信息(120)。
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