RU140711U1

RU140711U1 - ULTRA HIGH DENSITY INFORMATION RECORDING ELEMENT

Info

Publication number: RU140711U1
Application number: RU2013157411/28U
Authority: RU
Inventors: Василий Васильевич Климов; Виктор Иванович Балыкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Оптические наноустройства"
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-05-20

Abstract

1. Элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью, состоящий из прозрачного предохранительного слоя, нанесенного на металлическую пленку с наноотверстием, расположенную на пленке из активного материала, нанесенной на подложку, отличающийся тем, что прозрачный предохранительный слой выполнен в виде фотонного кристалла.2. Элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью по п.1, отличающийся тем, что наноотверстие в металлической пленке с наноотверстием выполнено в форме бабочки с перетяжкой в центре.1. An element for recording information with an ultrahigh density, consisting of a transparent protective layer deposited on a metal film with a nano-hole, located on a film of active material deposited on a substrate, characterized in that the transparent protective layer is made in the form of a photonic crystal. Element for recording information with an ultrahigh density according to claim 1, characterized in that the nano-hole in the metal film with the nano-hole is made in the form of a butterfly with a constriction in the center.

Description

Полезная модель относится к прикладной науке и технике, а именно к устройствам для записи и хранения информации, и может быть использована для замены обычных магнитных и оптических накопителей информации, в частности, в компьютерной технике.The utility model relates to applied science and technology, namely to devices for recording and storing information, and can be used to replace conventional magnetic and optical information storage devices, in particular, in computer technology.

Известны устройства для записи информации на магнитном носителе, принцип работы которых основан на намагничивании частиц из магнитного материала. Такие устройства применяются в настоящее время в картах с магнитной полосой, имеющих возможности хранения и изменения данных в магнитной полосе. Основной недостаток известных устройств заключается в невысокой плотности информации, обусловленный относительно большими размерами элементов для записи информации - частиц магнитного материала (порядка нескольких микрон).Known devices for recording information on a magnetic medium, the principle of which is based on the magnetization of particles of magnetic material. Such devices are currently used in magnetic stripe cards that have the ability to store and modify data in the magnetic stripe. The main disadvantage of the known devices is the low density of information due to the relatively large sizes of the elements for recording information - particles of magnetic material (of the order of several microns).

Указанного недостатка лишены устройства для записи информации, на основе оптической записи информации. Наиболее распространенным устройством такого типа является компакт-диск (оптический диск), который представляет собой поликарбонатную пластину диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм, покрытую слоем активного материала. Основание пластины является одной спиральной дорожкой, шаг которой равен 1,6 мкм. Информация на спиральной дорожке записывается с помощью сфокусированного излучения лазера, воздействие которого приводит к изменению отражающей способности участков поверхности диска. При использовании органического активного материала запись осуществляется путем разрушения химических связей материала, что приводит к его потемнению и изменению его отражательной способности. Основной недостаток известного устройства заключается в невысокой плотности информации, связанной с относительно большим размером области фокусировки лазерного излучения (чуть меньше длины волны используемого лазерного излучения), определяемый законами волновой оптики, что объясняет естественный предел информационной емкости оптических дисков. Плотность хранения информации оптических дисков можно повысить путем уменьшения длины волны записывающего лазерного излучения, переходя из инфракрасной в видимую и затем в ультрафиолетовую области спектра, что и осуществляется в настоящее время. Однако таким путем пока удалось уменьшить размер области фокусировки, а значит и элемента для записи информации, не более чем в два раза - до нескольких сотен нанометров.The indicated disadvantage is deprived of a device for recording information based on an optical recording of information. The most common device of this type is a compact disk (optical disk), which is a polycarbonate plate with a diameter of 120 mm and a thickness of 1.2 mm, coated with a layer of active material. The base of the plate is a single spiral path, the step of which is equal to 1.6 microns. Information on a spiral track is recorded using focused laser radiation, the effect of which leads to a change in the reflectivity of parts of the disk surface. When using organic active material, recording is carried out by breaking the chemical bonds of the material, which leads to its darkening and a change in its reflectivity. The main disadvantage of the known device is the low density of information associated with the relatively large size of the focus area of the laser radiation (slightly less than the wavelength of the used laser radiation), determined by the laws of wave optics, which explains the natural limit of the information capacity of optical disks. The storage density of information of optical disks can be increased by reducing the wavelength of the recording laser radiation, moving from infrared to visible and then to ultraviolet spectral region, which is currently being carried out. However, in this way, so far it has been possible to reduce the size of the focusing area, and hence the element for recording information, by no more than two times - to several hundred nanometers.

Этого недостатка лишен элемент для записи информации, основанный на формировании в активном материале элементарного участка с измененной отражающей способностью на основе использования поверхностных плазмонов (S. Park, J.W. Hahn. Plasmonic data storage medium with metallic nano-aperture array embedded un dielectric material // Optical Express, 2009. V. 17, N. 22. Р. 20203-20210), выбранный в качестве прототипа. Известный элемент состоит из прозрачного предохранительного слоя, нанесенного на металлическую пленку с наноотверстием, расположенной на пленке из активного материала, нанесенной на подложку.This drawback lacks an element for recording information based on the formation in the active material of an elementary region with a modified reflectivity based on the use of surface plasmons (S. Park, JW Hahn. Plasmonic data storage medium with metallic nano-aperture array embedded un dielectric material // Optical Express, 2009. V. 17, N. 22. R. 20203-20210), selected as a prototype. A known element consists of a transparent protective layer deposited on a metal film with a nanohole located on a film of active material deposited on a substrate.

Известный элемент работает следующим образом. Запись информации производится с помощью сфокусированного лазерного луча с длиной волны 405 нм, который падает на элемент со стороны прозрачного предохранительного слоя перпендикулярно его поверхности. Лазерное излучение проходит сквозь прозрачный предохранительный слой и облучает металлическую пленку с наноотверстием в форме бабочки с перетяжкой в центре. В месте сужения отверстия возникает локальное усиление электромагнитного поля, поперечный размер которого сопоставим с размером перетяжки наноотверстия в металлической пленке. Воздействие этого излучения на пленку из активного материала приводит к разрушению химических связей активного материала и его потемнению. Таким образом, известный элемент записывает информацию путем формирования в пленке активного материала наноразмерной области, отличающейся от остальной части пленки активного материала другой отражающей способностью. В известном элементе прозрачный предохранительный слой толщиной 100 нм выполнен из стекла. Металлическая пленка с наноотверстием толщиной 100 нм изготовлена из алюминия, диаметр наноотверстия составляет от 30 до 80 нм. Пленка из активного материала толщиной 20 нм изготовлена из материала GeSbTe. Подложка толщиной 20 нм выполнена из стекла.A known element works as follows. Information is recorded using a focused laser beam with a wavelength of 405 nm, which falls on the element from the side of the transparent protective layer perpendicular to its surface. Laser radiation passes through a transparent protective layer and irradiates a metal film with a nano-hole in the shape of a butterfly with a constriction in the center. At the narrowing point of the hole, a local amplification of the electromagnetic field occurs, the transverse size of which is comparable to the size of the waist of the nanohole in the metal film. The effect of this radiation on the film of the active material leads to the destruction of the chemical bonds of the active material and its darkening. Thus, the known element records information by forming a nanoscale region in the film of the active material, which differs from the rest of the film of the active material by a different reflectivity. In the known element, a transparent protective layer 100 nm thick is made of glass. A metal film with a nanohole 100 nm thick is made of aluminum; the diameter of the nanohole is from 30 to 80 nm. A film of active material with a thickness of 20 nm is made of GeSbTe material. The substrate with a thickness of 20 nm is made of glass.

Основной недостаток известного элемента заключается в низкой эффективности преобразования мощности падающего лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала. Это приводит к необходимости использования для записи лазерных источников большой мощности, что повышает стоимость самой записи и увеличивает вероятность выхода известного элемента из строя из-за его перегрева лазерным излучением.The main disadvantage of the known element is the low efficiency of converting the power of the incident laser radiation into radiation power in the nanoholes on the surface of the film of the active material. This leads to the necessity of using high power for recording laser sources, which increases the cost of the recording itself and increases the likelihood of a known element failing due to its overheating by laser radiation.

Задачей полезной модели является повышение эффективности преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала.The objective of the utility model is to increase the efficiency of converting the power of focused laser radiation into radiation power in nanoholes on the surface of a film of active material.

Поставленная задача решается элементом для записи информации со сверхвысокой плотностью, который состоит из прозрачного предохранительного слоя, выполненного в виде фотонного кристалла, нанесенного на металлическую пленку с наноотверстием, расположенной на пленке из активного материала, нанесенной на подложку.The problem is solved by an element for recording information with an ultrahigh density, which consists of a transparent protective layer made in the form of a photonic crystal deposited on a metal film with a nanohole located on a film of active material deposited on a substrate.

На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства.In FIG. 1 presents a block diagram of the inventive device.

Элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью состоит из прозрачного предохранительного слоя (1), выполненного в виде фотонного кристалла, нанесенного на металлическую пленку с наноотверстием (2), расположенной на пленке из активного материала (3), нанесенной на подложку (4).An element for recording information with an ultrahigh density consists of a transparent protective layer (1) made in the form of a photonic crystal deposited on a metal film with a nanohole (2) located on a film of active material (3) deposited on a substrate (4).

Достижение заявленного технического результата, а именно повышение эффективности преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала, происходит за счет повышения эффективности преобразования интенсивности лазерного излучения в интенсивность стоячих волн между поверхностью металлической пленки с наноотверстием и внешней поверхностью предохранительного слоя. Технически это достигается тем, что прозрачный предохранительный слой выполнен в виде фотонного кристалла.The achievement of the claimed technical result, namely, increasing the efficiency of converting the power of focused laser radiation into radiation power in a nano-hole on the surface of a film of active material, occurs by increasing the efficiency of converting the intensity of laser radiation into the intensity of standing waves between the surface of a metal film with a nano-hole and the outer surface of the protective layer . Technically, this is achieved by the fact that the transparent protective layer is made in the form of a photonic crystal.

Элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью работает следующим образом. Запись информации производится с помощью сфокусированного лазерного луча, который падает на элемент со стороны прозрачного предохранительного слоя (1), выполненного в виде фотонного кристалла, перпендикулярно его поверхности. Лазерное излучение проходит сквозь прозрачный предохранительный слой (1) и, благодаря тому, что он выполнен в виде фотонного кристалла, создает на поверхности металлической пленки с наноотверстием (2) высокоинтенсивные стоячие волны. В результате этого в наноотверстии металлической пленки с наноотверстием (2) возникает область высокой фокусировки лазерного излучения, поперечный размер которой сопоставим с диаметром наноотверстия. Воздействие этого излучения на пленку из активного материала (3), расположенной на подложке (4), приводит к разрушению химических связей активного материала и его потемнению. Таким образом, элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью записывает информацию путем формирования в пленке активного материала (3) наноразмерной области, отличающейся от остальной части пленки активного материала (3) другой отражающей способностью.Element for recording information with ultra-high density works as follows. Information is recorded using a focused laser beam that falls on the element from the side of the transparent protective layer (1), made in the form of a photonic crystal, perpendicular to its surface. Laser radiation passes through the transparent protective layer (1) and, due to the fact that it is made in the form of a photonic crystal, creates high-intensity standing waves on the surface of a metal film with a nanohole (2). As a result of this, a region of high focusing of laser radiation appears in the nanohole of a metal film with a nanohole (2), the transverse size of which is comparable to the diameter of the nanohole. The effect of this radiation on a film of active material (3) located on a substrate (4) leads to the destruction of chemical bonds of the active material and its darkening. Thus, an element for recording information with an ultrahigh density records information by forming in the film of the active material (3) a nanoscale region that differs from the rest of the film of the active material (3) by another reflectivity.

В отличие от прототипа, прозрачный предохранительный слой (1) не является оптически однородным, а выполнен в виде фотонного кристалла, что позволяет повысить эффективность преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала.Unlike the prototype, the transparent protective layer (1) is not optically homogeneous, but is made in the form of a photonic crystal, which improves the efficiency of converting the power of focused laser radiation into radiation power in nanoholes on the surface of a film of active material.

Конкретная техническая реализация заявляемого элемента для записи информации со сверхвысокой плотностью, а именно, его характерные размеры, материалы прозрачного предохранительного слоя, выполненного в виде фотонного кристалла, металлической пленки с наноотверстием, пленки из активного материала и подложки являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи, требуемой точности и чувствительности. Прозрачный предохранительный слой, выполненный в виде фотонного кристалла, может быть изготовлен из диэлектрических слоев с переменными показателями преломления: высоким, например, из материала TiO₂ и низким, например, из материал MgF₂. Количество слоев фотонного кристалла может составлять от 2 и до 18. Металлическая пленка с наноотверстием может быть изготовлена из алюминия, диаметр наноотверстия может составлять от 30 до 80 нм. Наноотверстие может быть выполнено в форме «бабочки» с перетяжкой в центре. Изготовление наноотверстия может быть выполнено ионным пучком или с помощью технологии наноимпринтинга (http://www.nilt.com). Пленка из активного материала может быть изготовлена из материала GeSbTe.The specific technical implementation of the inventive element for recording information with ultra-high density, namely, its characteristic dimensions, materials of a transparent protective layer made in the form of a photonic crystal, a metal film with a nanohole, films of the active material and the substrate are standard and their characteristics depend on the task required accuracy and sensitivity. A transparent protective layer made in the form of a photonic crystal can be made of dielectric layers with variable refractive indices: high, for example, from TiO ₂ material and low, for example, from MgF ₂ material. The number of layers of a photonic crystal can be from 2 to 18. A metal film with a nanohole can be made of aluminum, the diameter of the nanohole can be from 30 to 80 nm. The nanohole can be made in the shape of a “butterfly” with a constriction in the center. The manufacture of nanoholes can be performed using an ion beam or using nanoimprinting technology (http://www.nilt.com). The film of the active material may be made of GeSbTe material.

Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант элемента для записи информации со сверхвысокой плотностью. В экспериментах использовалось сфокусированное лазерное излучение с длиной волны 405 нм и мощностью около 1 мВт. Прозрачный предохранительный слой был выполнен в виде фотонного кристалла путем нанесения диэлектрических слоев с переменными показателями преломления n: высоким из материала TiO₂ (n=2.23) и низким из материал MgF₂ (n=1.38). Металлическая пленка с наноотверстием имела толщину 100 нм и была изготовлена из алюминия. Диаметр отверстия, которое было изготовлено путем облучения металлической пленки ионами, составлял 50 нм. Форма отверстия круглая. В эксперименте было показано, что в случае, когда прозрачный предохранительный слой выполнен в виде фотонного кристалла, интенсивность излучения в области наноотверстия увеличивается в 30 раз. Такое увеличение подтверждено также нашими теоретическими расчетами (I.V. Treshin, V.V. Klimov, P.N. Melentiev and V.I. Balykin, "Optical Tamm state and extraordinary light transmission trough a nanoaperture", Physical Review A, V. 88, P. 023832 (2013)). Проведенные эксперименты показали, что для получения подобной области в пленке из активного материала в случае использования однородного прозрачного предохранительного слоя, выполненного не в виде фотонного кристалла, мощность лазерного излучения должна составлять 30 мВт, что в 30 раз выше, чем в случае применения элемента для записи информации со сверхвысокой плотностью.The authors created and tested in laboratory conditions a variant of an element for recording information with ultrahigh density. The experiments used focused laser radiation with a wavelength of 405 nm and a power of about 1 mW. The transparent protective layer was made in the form of a photonic crystal by applying dielectric layers with variable refractive indices n: high of TiO ₂ material (n = 2.23) and low of MgF ₂ material (n = 1.38). The metal film with a nanohole had a thickness of 100 nm and was made of aluminum. The diameter of the hole, which was made by irradiating the metal film with ions, was 50 nm. The shape of the hole is round. In the experiment, it was shown that in the case when the transparent protective layer is made in the form of a photonic crystal, the radiation intensity in the nano-hole region increases by 30 times. This increase is also confirmed by our theoretical calculations (IV Treshin, VV Klimov, PN Melentiev and VI Balykin, "Optical Tamm state and extraordinary light transmission trough a nanoaperture", Physical Review A, V. 88, P. 023832 (2013)). The experiments showed that to obtain a similar region in the film of the active material in the case of using a homogeneous transparent protective layer, made not in the form of a photonic crystal, the laser radiation power should be 30 mW, which is 30 times higher than if the recording element was used ultra-high density information.

Таким образом, созданный элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью, позволил достичь заявленного технического результата, а именно повысить эффективность преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала.Thus, the created element for recording information with ultrahigh density, made it possible to achieve the claimed technical result, namely, to increase the efficiency of converting the power of focused laser radiation into radiation power in nanoholes on the surface of a film of active material.

Claims

1. An element for recording information with an ultrahigh density, consisting of a transparent protective layer deposited on a metal film with a nano-hole, located on a film of active material deposited on a substrate, characterized in that the transparent protective layer is made in the form of a photonic crystal.

2. The element for recording information with an ultrahigh density according to claim 1, characterized in that the nano-hole in the metal film with the nano-hole is made in the form of a butterfly with a constriction in the center.