基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大容量信息存储介质，特别涉及超高密度光信息存储介质。
【背景技术】
[0002] 光信息存储介质，如CD光盘、DVD光盘，由于具有存储数据量大、使用便利、数据永 久保存等特点已广泛应用于当今社会的文化、经济及军事等领域。随着光子和量子数据存 储技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技术以及海量数据处理技术的发展，光 信息存储技术有望成为本世纪信息产业的支柱技术之一。
[0003] 光信息存储的原理是以二进制数据的形式来存储信息。通常借助激光将转换后的 二进制数刻录在具有反射能力的碟片上，产生凹点或小坑。为了识别数据，可规定刻出的小 坑代表二进制数" 1"，而空白则代表二进制数"〇"。在读取数据时，激光在小坑处不被反射， 代表" 1"，而在空白处被反射，代表"〇"，通过电脑可以将读取的二进制代码还原成原来的 信息。在写读过程中光盘在光驱中高速转动，激光头则在电机的控制下沿径向移动，于是光 盘中的数据就源源不断地被读取出来。与CD光盘比较，DVD光盘的凹坑更小，且部分采用 螺旋储存凹坑使得坑与坑的间距更小，因此获得更高的存储密度。一般DVD光盘存取数据 信息的坑点非常紧密，最小凹坑长度仅为〇. 4 μm，相邻坑点的间距离仅为CD光盘的50%， 且相邻轨距只有0. 74 μ m。目前，市面上出现了不同容量的DVD光盘，直径为120mm的DVD 光盘单面容量为4. 7GB，双面容量为9. 4GB。如果改成双面双层，则容量可达18GB。因此，标 称容量为5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盘系列分别对应于单、 双、多层光盘。由于光盘与光盘机配套要求，DVD光盘的价格随容量上升而升高。
[0004] 另一方面，激光加工的最小光斑直径与所用激光的波长密切相关。因此，缩短激光 波长可以获得更小的光斑直径。传统DVD光盘采用波长为650nm的红色激光来写入和读取 数据，而目前较为先进的DVD光盘主要采用波长为405nm蓝色激光，极大地提高了光盘的存 储容量，能够在一张普通DVD碟片上实现25GB的容量，如果采用双层则可达到50GB的容 量，分别为现有DVD光盘容量的5至10倍。尽管如此，这种大容量DVD光盘仍然难以满足 目前对超大容量信息存储的巨大需求，例如治安和交通监控、卫星云图、海量计算、网络数 据等每天产生的数据量极其巨大，而这些数据还必须保存一定时间以备调用。此外，如今蓬 勃发展的高清电影、3D游戏和超大容量数字图书等也迫切需要超大容量信息存储。
[0005] 解决上述超大容量数据存储难题的途径有多种，其中澳大利亚科学家于2009年 提出的基于金纳米棒（gold nanorod，GNR)的五维复用光信息存储被认为是最具前景的技 术之一。基于金纳米棒（代表信息"1"）被激光熔化成金纳米球（代表信息"0"）后失去 双光子焚光（Two-photon luminescence, TPL)响应的特点，实现了波长（维数1)、偏振（维 数1)和三维空间（维数3)复用的光信息存储技术，可以在同一记录体积中存储多个可单 独寻址模式，极大地提高了存储密度。这一技术的实现依赖于作为存储介质的金纳米棒/ PVA薄膜的光学特性，即对波长、偏振和三维空间敏感，在五维复用光信息存储中表现为记 录和读出的正交性（无串扰），在每个维数上可以提供多个记录信道，同时存储介质在使用 环境中性质稳定且在读出数据时不被损坏。
[0006] 上述五维复用光信息存储介质是由多层金纳米棒/PVA薄膜堆栈而成的，薄膜之 间由透明压敏胶层间隔。若使用两个偏振态，三个波长（波长间隔140ηπι)，10μπι厚的间隔 层，0. 75 μ m的像素尺寸，那么信息存储密度可达到I. lTb/cm3,使得单张 DVD光盘的容量提 升至I. 6TB。澳洲科学家预测，若采用10层1微米厚的金纳米棒/PVA薄膜，三个偏振和三 个波长，同时缩小间隔层的厚度，则单张 DVD光盘的容量可达到7. 2TB，分别为普通DVD和蓝 光DVD光盘容量的1700倍和280倍。毫无疑问，这种超高密度光信息存储的实现有望解决 大数据时代所面临的信息存储难题。
[0007] 然而，上述五维复用光信息存储技术的实用化和产业化还需要克服以下瓶颈： (1)信息写入能量过高（达0. 21~0. 32nJ):存储介质使用直径为12nm且浓度较低 的大尺寸金纳米棒，导致熔化金纳米棒所需的激光能量密度较高，产生的热量容易造成PVA 薄膜的烧蚀，导致存储质量降低、存储信息串扰，信息存储的寿命也直接受到影响。此外，过 高的读写能量导致其对读写设备的要求极高，限制了产业化。
[0008] ⑵复用波长的间距过大（约140nm):存储介质中使用三种不同长径比的金纳米 棒来实现波长复用，其纵向等离子共振波长分别为700、840和980nm。较宽的复用波长间隔 (HOnm)要求使用690~IOlOnm宽带可调谐的飞秒激光作为读写光源，极大地增加了写读 装置的成本，同时也限制了复用波长的个数。此外，在存储介质制备过程中不但面临不同长 径比金纳米棒的均匀分散问题，而且还要求不同金纳米棒之间没有相互作用以确保不同金 纳米棒对相应激光波长的最大响应。
[0009] (3)复用偏振的数目较少：在确保信息存储质量（即高相似度或低误码率）和无 串扰的情况下，单层存储薄膜仅能实现2个偏振复用（即0°和90° )，这与无耦合金纳米 棒双光子荧光的偏振依赖关系（cos4 Θ )和过高的信息写入能量密切相关。
[0010] (4)像素尺寸较大：这与存储介质中使用的金纳米棒尺寸较大、浓度较低有关。 [0011] (5)相邻存储层的间隔较大：由于信息写入能量较大（0.21~0.32nJ)，金纳米棒 熔化过程中产生的热量较多，相邻存储层之间采用了 IOym厚的透明压敏胶作为隔离层， 这对制膜技术的挑战性极高。一方面由于存储层和隔离层材料不同，增加了制膜难度；另一 方面，激光写读时因堆砌薄膜厚度较大必须依次提高激光能量20%/层以满足写读要求， 导致膜完好性降低、图像之间的串扰增加。
[0012] (6)不能实现多次擦写：即很难实现擦去已有数据，再写入新数据，也就是说不能 实现激光能量复用。
[0013] 由于存在上述问题，虽然金纳米棒薄膜是一种非常有希望实现产业化的超高密度 光信息存储介质，但是目前在产业化方面仍然没