专利名称：电子、光子引发可逆相变的光记录介质的制作方法
一、本发明属光盘存储技术领域，是直接重写或可擦重写相变光盘记录介质的材料设计。
二、传统可擦重写相变光盘记录介质相变光盘是否稳定可靠，材料是关键。而材料设计能否满足高数据传输速率的要求，又取决于记录介质能否在两个稳定态之间实现快速可逆相变。迄今为止，相变光盘的材料设计都是基于介质在激光脉冲的热诱导下发生的晶化与非晶化的可逆变化。非晶化过程用液相快淬实现，晶化过程通过晶核形成、晶粒长大来完成;前者对应于记录介质信息的写入，后者对应信息的擦除。对材料的要求是1、光响应灵敏度高2、非晶态的热稳定性好3、晶化速率快4、两态之间的反衬度高为满足要求1，通常采用硫系元素为基，例如碲(Te)基、硒(Se)基或(TeSe)基。一是由于它是具有二度配位的共价键结构，属欠约束;二是由于它具有孤对电子，孤对电子价带位于成键电子价带之上，所以孤对电子容易因激发而使介质发生相结构的变化。
为满足要求2，需要在硫系元素为基的材料中加入Ⅲ族(如In)、Ⅳ族(如Ge)或Ⅴ族(Sb)等元素，以加强链间的联结或变链结构为稳定性较强的拓朴网络，以加强非晶态的热稳定性。
为满足要求3，在制备过程中还要掺入能起成核或催化作用的元素，以解决增强稳定性和提高晶化速率的矛盾。
为满足要求4，有时还掺入能提高两态间反衬度的元素。
这样配制而成的多元系相变介质，处于材料的无定形态，要付诸使用，还有一系列的问题有待解决。
1、初始化问题介质的无定形态是不稳定的，往往会通过结构弛豫向着自由能更低的状态过渡。为使介质稳定在一定的状态，要通过初始化过程。或者通过晶化过程进入晶态，或者通过玻璃化过程进入玻璃态。记录介质的可逆相变发生在晶态与玻璃态之间(见
图1a)。一般讲来，处于无定形态的介质要经过写擦激光脉冲的十几次循环动作，才能进入晶态或玻璃态。这样带来光盘盘机设计的困难和使用的极大不便。
2、玻璃态的热稳定性愈好，要使它向晶态转变就愈困难，因而晶化速率就愈慢。增强热稳定性和提高晶化速率的矛盾始终存在。
3、多元系相变介质，在晶化过程中往往发生相分离，兼有原子扩散，因而拖长晶化过程。为此在实际过程中，要求用长椭圆光斑来完成晶化过程，也就是用长脉冲激光来擦除信息，这样擦除激光和写入激光不能兼容，增加光盘机设计的难度，并降低系统的可靠性。而且相分离的发生，会大大降低材料的擦/写循环数。这也就是通常所说的“热疲劳”问题。
本发明致力于解决传统材料设计所无法摆脱的上述困难，在完全不同的基础上建立材料设计的新构思、新方法，这就是激光的光晶化，以及随后发现的光致突发晶化。基于光致突发晶化作用的材料，既非碲基，亦非硒基，而是以对激光的响应特性为出发点的二元(或三元)化合物为单元，并以一组这样的单元组成多元准共晶系记录介质，这种多元准共晶介质在实际应用中，表现出一系列明显的特征1、只用一次擦除操作，就可完成初始化过程，(见图1b)。
2、不存在增强热稳定性和提高晶化速率的矛盾。
介质的组分不同，晶化激活能△E和相转变方式指数n都相差很大。△E大的介质玻璃态的热稳定性好;n大的介质相转变速率高，擦除时间短。同类单元组成的介质，以符合化学计量比的共晶组分△E最大，而且相转变方式指数n也最高，因而擦除时间最短。
3、多元准共晶相变介质，在晶化过程中，不发生相分离，亦无原子扩散，因而晶化过程很短，只有几十纳秒的量级。为此在实际过程中，擦除激光脉冲可以和写入激光脉冲的脉宽兼容，这样可以缩短擦除时间，提高光盘的数字传输速率，并大大简化光盘机光学单元的设计。
综上所述，证实本发明采用新构思设计的材料能解决传统材料无法摆脱的困难。
三、多元准共晶系相变记录介质如上所述，传统相变记录介质基于激光的热效应，也就是写入信息时，用高功率、短脉冲激光使介质中光照斑点处(以下简称介斑)的温升超过熔点，然后通过液相快淬完成从晶态到玻璃态的相转变。擦除信息时，用中功率、长脉宽激光使用介斑的温升略低于熔点，然后通过晶核形成-晶粒长大的过程返回晶态。
新设计的多元准共晶系相变记录介质主要基于激光的光效应，也就是写入信息时，用阈值光子能量(
wo)的高功率、短脉宽使介斑的共价键断开，续而形成长程无序的相结构，这是一种直接固态相变，勿需熔化成液相。擦除信息时，通过光电子跃迁及复合，完成原子位置的调整、键角畸变的消失以及从无序到有序的转变。这种快速晶化，勿需成核。图2示出二元化合物Sb2Se3被电子束引发的直接晶化过程，图中左上角是已晶化的部分，右下角是尚未来得及晶化的玻璃态部分。
用光晶化的时间分辨实验证明激光引发的直接晶化过程包括光致突发晶化作用及随后的声子参与弛豫过程，即
光晶化过程=光致突发晶化+声参弛豫过程↓↓需时1～2ns几十纳秒在光盘相变的实际过程中，很难分清哪是激光热效应所起的作用，哪是激光光效应所做的贡献，但从时间谱来看，光效应起初始晶化的突发作用，热效应起完善晶化的弥补作用。随着激光波长由近红外(830nm)移向短波，光效应愈见明显，热效应逐渐减退。
多元准共晶系相变记录介质举例1、以下各种二元化合物的任意一种可以形成多元准共晶系的组合，其光能隙在0.5～4.5eV之间。
ⅠⅡⅢGa2Te3Ga2Se3GeTeAs2Te3As2Se3SnTeIn2Te3In2Se3PbSSb2Te3Sb2Se3ZnSe组合举例例1(Sb2Te3)i+(GeTe)j+(PbS)k( )/() 多元准共晶系i＝0-3j＝0-3k＝0-1i≠j≠k例2(In2Te3)i+(Sb2Se3)j+(GeTe)k( )/() 多元准共晶系i＝0-3j＝0-3k＝0-3例3(In2Te3)i+(Sb2Te3)j+(GeTe)k( )/() 多元准共晶系i＝0-3j＝0-3k＝0-32、以上任一种多元准共晶系(X)加入微量掺杂元素(x)掺杂元素金属元素Cu，Au，Cd，Zn过渡金属元素Co，Ni，Pd，Pt稀土元素Nd，Sm，Gd，Tb，YXy+x1-y( )/() 多元准共晶系y＞95%
权利要求
1.一种在可擦重写相变光盘记录介质中实现激光光致突发晶化的方法。其特征在于介质的激光光晶化可以在几个纳秒的时间内突然发作。然后通过声子参与的弛豫过程在几十纳秒的时间内完成。即光晶化过程=光致突发晶化(1～2ns)+声参弛豫过程(几十ns)。它不像激光热晶化那样通过晶核形成、晶粒长大的较长晶化过程。
2.根据权利1所述、基于激光光致相变的材料设计。其特征在于相变记录介质应由几组二元化合物为基，结合成光能隙在0.5～4.5eV之间的多元准共晶系介质，它具有能在晶态与玻璃态之间引发可逆相变的特征。(1)以下各种二元化合物的任意一种可以形成多元准共晶系的组合，其光能隙在0.5～4.5eV之间。Ⅰ Ⅱ ⅢGa2Te3Ga2Se3GeTeAs2Te3As2Se3SnTeIn2Te3In2Se3PbSSb2Te3Sb2Se3ZnSe(2)以上任一种多元准共晶系(X)加入微量掺杂元素(x)掺杂元素金属元素 Cu，Au，Cd，Zn过渡金属元素 Co，Ni，Pd，Pt稀土元素 Nd，Sm，Gd，Tb，YXy+x1-y( )/() 多元准共晶系y＞95%
3.根据权利2所述的材料设计，记录介质的初始化可用电子束辐照完成，或用激光的一次擦除完成。
4.一种计算权利2中记录介质各组成单元能带结构和电子态密度的经验质势法，其特征是采用介电函数的Penn模型对形式因子进行修正。
5.一种用短波长激光来减退相变介质热疲劳的方法。因为随着激光波长移向短波，激光光效应愈见显著，热效应逐渐减退。
全文摘要
本发明属光盘存储技术领域。记录介质的可逆相变发生在玻璃态与晶态之间。写入信息对应介质从晶态到玻璃态的转变，擦除则相反，技术上应解决的问题是玻璃态的热稳性即写入信息能长期保存；写入后的快擦除即晶化速率应尽可能快；相变中的热疲劳即写/擦循环数应尽可能高。本发明设计的材料具有(1)较大光能隙，(2)光致突发晶化，(3)适用于不同波段。因而能够较好解决以上难题，并可制成直接重写数据盘用于计算机外存，或制成录相盘作图像处理专用。
文档编号G11B7/24GK1074777SQ92100289
公开日1993年7月28日 申请日期1992年1月20日 优先权日1992年1月20日
发明者戎霭伦, 司徒活, 赵晶, 叶倩青, 张维佳, 吕燕伍, 于泓涛, 张新海 申请人:北京航空航天大学