JP3655402B2 - 光メモリ材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光メモリ材料およびその製造方法に係り、特にホールバーニング現象を示す光メモリ材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体中に単分散されたイオンや分子は、それらが存在するサイトにおける結晶場が不均一のため、波長幅の広い光吸収スペクトルを示し、その幅は不均一幅に相当する。一方、各サイトのイオンや分子に着目すると、その電子遷移が本来持っている波長幅、すなわち均一幅は不均一幅に比べてはるかに狭い。しかし、通常この均一幅は、広い不均一幅に埋もれて観測にかからない。そこで、光吸収帯の特定の波長にスペクトル幅の狭いレーザ光を照射し吸収飽和を起こさせると、光吸収スペクトル内にくぼみが生じる。この現象をホールバーニング現象と称する。
【０００３】
ホールバーニング現象を呈し光吸収準位を有する結晶では、その光吸収帯より波長幅が非常に狭いレーザ光を照射して情報を書き込み、さらにその照射光の波長を変えて連続的に書き込むことにより大容量で可動部のない光メモリを実現することができる。
【０００４】
また、不均一幅と均一幅の比（不均一幅／均一幅）は記録多重度と呼ばれ、記録多重度が大きい物質ほど記憶容量は大きくなる。従来、記録多重度を向上させるためには、Ｅｕ³⁺：Ｙ₂ ＳｉＯ₅ などの狭い均一幅を有する材料が有望視されてきた（例えば、M. Mitsunaga et al“Holographic motion picture by Ｅｕ³⁺：Ｙ₂ ＳｉＯ₅", Opt. Lett. 19, 752 (1994) 参照）。このＥｕ³⁺：Ｙ₂ ＳｉＯ₅ 単結晶の場合、７Ｋの極低温下において、不均一幅が５ＧＨｚ（〜０．０３ｎｍ）であるのに対し、均一幅が１ｋＨｚ（〜１０^-8ｎｍ）と非常に狭く、一見、大容量の光メモリを実現できそうである。しかし、このような材料に効率よく情報の書き込みと読み出しを行うには、均一幅と同程度の狭い波長幅を有し、かつ波長安定性が非常によい（従って、高価となる）波長可変のレーザ光が必要になる。
【０００５】
これに対し、市販の波長可変レーザは、その波長幅が１ＭＨｚ程度と均一幅（例えば、上記の１ｋＨｚ）よりはるかに広く、その分だけ記憶容量が減少する。そこで、記憶容量を増大させる（記録多重度を大きくする）ためには、均一幅を狭くするよりも不均一幅を広くする方が実用的である。
【０００６】
また、上述の材料（Ｅｕ³⁺：Ｙ₂ ＳｉＯ₅ ）の製造方法として、従来、火炎溶融法（ベルヌイ法）や引き上げ法等を適用し製造しているが、材料自体の融点が２０００℃以上と高温であるために結晶の育成は非常に困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ホールバーニング現象を用いる光メモリ材料においては、記録多重度を大きくするために不均一幅を広くすることが課題で、その課題達成のために、母体の構造不規則性を大きくするよう混晶やガラスを用いるなど、さまざまな研究が行われている。しかし、まだ著しい改善策は見つかっていない。
【０００８】
本発明の目的は、記録多重度が大きく、従って大容量の情報記録が可能となる光メモリ材料およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明光メモリ材料は、レーザアブレーション法を、Ｅｕ：Ｒ_２Ｏ_３（Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕよりなる群から選択した元素）を含む結晶構造が立方晶のターゲットに適用することにより得られ、該得られた材料の結晶構造が立方晶と単斜晶の両方からなることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明光メモリ材料は、前記ＲがＧｄであることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明光メモリ材料の製造方法は、レーザアブレーション法を、Ｅｕ：Ｒ_２Ｏ_３（Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕよりなる群から選択した元素）を含む結晶構造が立方晶のターゲットに適用して、得られた材料の結晶構造が立方晶と単斜晶の両方からなる光メモリ材料を製造することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明光メモリ材料の製造方法は、前記ＲがＧｄであることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照し、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
上記のように、本発明によるホールバーニング現象を用いた光メモリは、レーザアブレーション法によりＥｕ：Ｒ₂ Ｏ₃ （Ｒは、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ルテチウム（Ｌｕ）よりなる群から選択した元素）あるいは、これと同じ元素を含む材料をターゲットとし、そのターゲットに照射するレーザパワーを所望に応じて制御し、蒸着装置内に配置した基板上に、ターゲット材料とは結晶構造の異なる結晶構造の光メモリ材料薄膜を積層、あるいは粒子を空間的に分散させることによって製造するものである。
【００１４】
また、本発明においては、上記製造方法（レーザアブレーション法）により、イオン半径の異なるＲ（Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕの少なくとも２種類）を母体構成イオンとしたＥｕ：Ｒ₂ Ｏ₃ ［Ｅｕ：（Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕ）₂ Ｏ₃ ］を積層あるいは空間的に分散させることによっても光メモリ材料を製造することができる。
【００１５】
以下に、本発明者らが実際に行った実験結果に基づいて、本発明を詳細に説明する。なお、この実験では、上記元素ＲとしてＧｄを採用した。
まず、レーザアブレーション法を適用して光メモリ材料を実験的に作製するにあたり、本発明者らは、蒸着装置内の酸素雰囲気中（０．４Ｔｏｒｒ）でエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ、繰り返し周波数：〜１０Ｈｚ）をターゲットに１時間照射し、石英ガラス基板上（基板温度：５００℃）に光メモリ材料の薄膜（Ｅｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）を作製した。ここで、ターゲットは、希土類酸化物Ｒ₂ Ｏ₃ とＥｕ₂ Ｏ₃ をそれぞれ９９．０モル％と１．０モル％に混合後プレス成形し、電気炉を用いて１２００℃で焼成して得た。
【００１６】
次に、作製した光メモリ材料と、ターゲット（いずれも、Ｅｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）の結晶構造の違いを明らかにするために、（ａ）エキシマレーザ照射前のターゲット、（ｂ）１３５０℃で焼成した粉末、（ｃ）レーザ照射後のターゲット、および（ｄ）作製した光メモリ材料薄膜のそれぞれにつきＸ線回折を行った。その結果得られたＸ線回折パターンを、それぞれ図１ (ａ), (ｂ),（ｃ）および (ｄ) に示す。
図１（ａ）に示すＸ線回折パターンから、薄膜作製に使用したターゲット材料の結晶構造は立方晶だけであり、これを１３５０℃で焼成すると、図１（ｂ）に示すように、単斜晶となる。一方、図１（ｃ）のレーザ照射後のターゲットに着目すると、立方晶だけでなく、ドットで示した単斜晶からの回折ピークが観測される。図１（ｄ）は、レーザアブレーション法で作製した光メモリ材料薄膜のＸ線回折パターンを示し、この結果から、本発明により作製した光メモリ材料は立方晶と単斜晶の両方が堆積していることが分かる。この現象は、急激な温度上昇と化学反応の結果、生じたものと考えられる。
【００１７】
さらに、Ｅｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ の発光スペクトルを上記のそれぞれに対応させて図２（ａ）〜（ｄ）に示す。図２（ａ）は薄膜作成に使用した照射前のターゲット材料の立方晶の発光スペクトルを示し、６１１ｎｍのピークが主発光成分として現れている。図２（ｂ）は、１３５０℃で焼成した単斜晶Ｅｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ 粉末の発光スペクトルを示し、６１５ｎｍ、６２３ｎｍ付近に多くの発光ピークが観測される。図２（ｃ）、図２（ｄ）に着目すると、立方晶と単斜晶の両方の発光スペクトルが同時に観測されており、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して説明したＸ線回折の結果と対応している。なお、これらの各ピークにおける発光寿命は１ｍ秒と長く、ホールバーニングメモリとして利用することができることを示している。これらの発光過程は、Ｅｕイオンのｆ−ｆ遷移によるものであり、禁制遷移の性格を有するために長い発光寿命を示す。
【００１８】
Ｅｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ の場合、多くの準位間の遷移による発光が生じるが、特に発光寿命が長くホールバーニングメモリとして使用できる５８０ｎｍ付近のＥｕ³⁺イオンの ⁵Ｄ₀ → ⁷Ｆ₀ 遷移エネルギー付近の発光スペクトルを、同じく上記それぞれに対応させて図３（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００１９】
図３（ａ）に示される５８０ｎｍと５８２ｎｍのピークは、それぞれ立方晶におけるＣ₂ サイト中のＥｕ³⁺イオンの ⁵Ｄ₀ → ⁷Ｆ₀ 遷移とＳ₆ サイトの ⁵Ｄ₀ → ⁷Ｆ₁ 遷移に由来するものである。単斜晶Ｅｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ では、図３（ｂ）に示すように、５７８ｎｍ、５８２ｎｍにＣ_s サイトのＥｕ³⁺イオンの ⁵Ｄ₀ → ⁷Ｆ₀ 遷移、５８４ｎｍにＣ_s サイトの ⁵Ｄ₀ → ⁷Ｆ₁ 遷移が現れる。図３（ｃ）に示すレーザ照射後のターゲットにおいては、立方晶のＣ₂ 、Ｓ₆ サイトからの発光に加え、単斜晶のＣ_s サイトからの発光が重畳して現れている。図３（ｄ）に示す作製された光メモリ材料薄膜に着目すると、立方晶と単斜晶Ｇｄ₂ Ｏ₃ の各Ｅｕ³⁺から合計４本の発光ピークが現れ、異なる結晶構造の粒子が空間的に分散して堆積していることが分かる。なお、発光と光吸収は互いに逆の過程であり、 ⁵Ｄ₀ → ⁷Ｆ₀ 遷移エネルギー領域では、ほぼ同一スペクトル形状を示している。
【００２０】
以上のように、本発明により適用したレーザアブレーション法によってターゲットと異なる結晶構造の光メモリ材料の薄膜を作製することができ、それに伴い光学特性も変えられることが判明した。また、レーザパワーを所望に応じ制御することにより、同一ターゲットから異なる光学特性の薄膜を作製することもできた（結晶構造のそれぞれ異なったものができるため）。さらに、異なる吸収波長を有する材料を組み合わせ、積層化や空間的に分散させることにより、光メモリに多くの異なる記録可能な光吸収帯を作ることができる。その結果、吸収帯幅（不均一幅）を増大させることが可能となり、記録多重度を大きくすることができる。
【００２１】
上述の実施形態（実験結果）ではＥｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ の場合において実験し、その結果について説明したが、本発明による光メモリ材料は、特にＥｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ に限定されるものではない。薄膜の主成分として、Ｌａ₂ Ｏ₃ やＧｄ₂ Ｏ₃ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｌｕ₂ Ｏ₃ をレーザアブレーション法により積層あるいは空間的に分散させた場合にも、これらはＥｕイオンの発光準位付近にエネルギー準位を持たないため長い発光寿命を示し、そのイオン半径の違いによってＥｕイオンの受ける結晶場が異なるため、スペクトルの広帯域化が可能となり、記録多重度を大きくすることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ターゲット材料とは異なる結晶構造を有する光メモリ材料の薄膜を、レーザアブレーション法を用いて作製することができる。それにより、光学特性の異なる薄膜を実現し、記録可能な光吸収帯幅を広くすることができるので、記録多重度を大きくすることができる。その結果、本発明による光メモリ材料は、画像やコンピュータなどの大容量メモリとして利用でき、産業上の利用価値が大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用するターゲット材料から光メモリ材料が作製されるまでの、各過程におけるＥｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ のＸ線回折パターンを示している。
【図２】本発明に使用するターゲット材料から光メモリ材料が作製されるまでの、各過程におけるＥｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ の発光スペクトルを示している。
【図３】本発明に使用するターゲット材料から光メモリ材料が作製されるまでの、各過程におけるＥｕ：Ｇｄ₂ Ｏ₃ の ⁵Ｄ₀ → ⁷Ｆ₀ 遷移エネルギー付近の発光スペクトルを示している。

Claims (4)

1. レーザアブレーション法を、Ｅｕ：Ｒ_２Ｏ_３（Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕよりなる群から選択した元素）を含む結晶構造が立方晶のターゲットに適用することにより得られ、該得られた材料の結晶構造が立方晶と単斜晶の両方からなることを特徴とする光メモリ材料。
2. 請求項１記載の光メモリ材料において、前記ＲがＧｄであることを特徴とする光メモリ材料。
3. レーザアブレーション法を、Ｅｕ：Ｒ_２Ｏ_３（Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕよりなる群から選択した元素）を含む結晶構造が立方晶のターゲットに適用して、得られた材料の結晶構造が立方晶と単斜晶の両方からなる光メモリ材料を製造することを特徴とする光メモリ材料の製造方法。
4. 請求項３記載の光メモリ材料の製造方法において、前記ＲがＧｄであることを特徴とする光メモリ材料の製造方法。

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