電子俘獲光存儲技術(shù)

隨著(zhù)計算機和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的信息內容以數字化的形式豐在、傳輸和保存。因此對大容量信息存儲技術(shù)的研究就逐漸升溫。激光技術(shù)的不斷成熟，尤其是半導體激光器的成熟應用，使得光存儲從最初的微縮照相發(fā)燕尾服成為快捷、方便、容量巨大的存儲技術(shù)，各種光ROM紛紛亮像，到最近的DVD-ROM發(fā)布之時(shí)，雙面5.25英寸大小已經(jīng)可以存儲10G比特的數據。

與磁介質(zhì)存儲相比光存儲技術(shù)壽命長(cháng)，非接觸式讀/寫(xiě)，信息的載噪比（GNR0）高，信息位的價(jià)格低，但是不足也是明顯的：光盤(pán)機價(jià)格較貴，傳輸速率低，重復擦寫(xiě)技術(shù)尚不成熟。主要的問(wèn)題集中在了重復擦寫(xiě)技術(shù)上，研究人員針對這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究，先后提出了光致變色存儲，光譜燒孔材料光存儲，電子俘獲材料光存儲等新型存儲方法，其中電子俘獲光存儲材料的研究比較突出，在某此方面幾乎達到了實(shí)用化。

電子俘獲光存儲技術(shù)除了高密度存儲的優(yōu)點(diǎn)外，還具有響應快，擦寫(xiě)次數多，制備方便，造價(jià)低，應用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。本文綜合介紹了近年來(lái)在電子俘獲材料領(lǐng)域內的一些研究和應用進(jìn)展。

技術(shù)原理

電子俘獲是一種光激勵發(fā)光現象。光激勵發(fā)光是指材料受到輻照時(shí)，產(chǎn)生的自由電子和空穴被俘獲在晶體內部的陷阱中，從而將輻照能量存儲起來(lái)，當受到光激勵時(shí)（波長(cháng)比輻照光長(cháng)），這些電子和空穴脫離陷阱而復合發(fā)光。因而這種材料被形象地稱(chēng)為“電子俘獲材料”。電子俘獲光存儲寫(xiě)入與讀出的簡(jiǎn)單原理，如圖1所示。

當用寫(xiě)入光輻照時(shí)，材料中產(chǎn)生大量的電子和空穴，這些電子和空穴被俘獲在晶體內部的陷阱中，從而將輻射能量存儲起來(lái)。當受到光激勵時(shí)（即讀出光，能量小于寫(xiě)入光），陷阱中的載流子（電子和空穴）脫離陷阱而與發(fā)光中心復合發(fā)光。圖1中，過(guò)程1表示晶體受電離輻射產(chǎn)生躍過(guò)禁帶的自由電子和空穴，過(guò)程2、4表示自由電子被俘獲并暫時(shí)存儲在陷阱中，過(guò)程3、5存儲在陷阱中的電子和空穴在受可見(jiàn)光或紅外光激勵時(shí)躍遷出陷阱，又處于自由狀態(tài)，過(guò)程6、7、8表示這些自由電子和空穴可以在材料中的某些發(fā)光中心離子的局域能級上發(fā)生復合，而把它們所帶的能量以一定波長(cháng)的能量（h v）釋放出來(lái)從而完成的整個(gè)讀出及寫(xiě)入過(guò)程。電子俘獲光存儲的寫(xiě)入（激發(fā)），讀出（激勵）的波長(cháng)范圍，受基質(zhì)的晶格影響，也受雜質(zhì)原子，晶格缺陷，以及一些破壞晶格周期性的界面等的影響。破壞了晶格的周期性，就可能在禁帶中形成一些定域能級，定域能級的不同，直接影響了激發(fā)、激勵以及激勵發(fā)光的不同。電子俘獲材料正是選擇了不同基質(zhì)以及摻雜，得到了不同波段的存取。電子俘獲材料的讀寫(xiě)波長(cháng)由材料中的發(fā)光中心決定的。

主要類(lèi)型

1 MFX類(lèi)型X光影像存儲

這是一種典型的X光影像存儲材料，用做光存儲時(shí)，典型的BaFC1：Eu2+材料寫(xiě)入使用X射線(xiàn)，讀出光波長(cháng)范圍是400～700nm，讀出發(fā)光波長(cháng)范圍是380～400nm。

目前這種材料是最接近于實(shí)用的，采用高溫（1000℃）固相反應法能制備出純度較高的樣品。日本和美國的一些公司已經(jīng)推出使用MFX型電子俘獲材料做成像、存儲器件的醫用X光透視儀等產(chǎn)品。使用MFX型材料的存儲優(yōu)點(diǎn)是靈敏、可反復使用、易于集成數字系統。缺點(diǎn)是讀出信號的持續讀出衰減快，重復讀的次數有限。重復需要使用較高溫度熱漂白加光漂白，在配套技術(shù)方面仍需要突破。

2 堿土金屬硫化物紅外讀出存儲

1986年Iindmayer首先提出利用IIa～Vib化合物中某些雜質(zhì)離子的電子在光的作用下被陷阱俘獲和釋放的現象，發(fā)展了一種新的可擦除光存儲系統。并提出了電子俘材料這個(gè)概念。典型的材料有SrS:Eu,Sm,Cas:EU,Ce[26]等雙稀土摻雜，也有報道單稀土離子摻雜的，如CaS:Ce等。這類(lèi)材料的寫(xiě)入波長(cháng)在綠光波段，讀出光在近紅外波段，讀出發(fā)光在紅光波段。因此具有很廣闊的利用空間。

堿土金屬硫化物的主要讀出波段的近紅外，因此除了可以用做存儲外，也是一種很好的實(shí)現紅外光激勵材料。而且電子俘獲材料探測靈敏度高（μW量級），響應快（可達幾十ns）。而更多的應用是利用它可擦除，響應快，做非線(xiàn)性光學(xué)元件，或者做布爾運算元件用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和光計算機中。這類(lèi)材料缺點(diǎn)是熱穩定性不好。信號衰減得快。盡管有報道使用這種材料與CCD耦合的紅外探測儀的研究工作，但是因為各種技術(shù)細節問(wèn)題也只停留在實(shí)驗室階段。

3 堿金屬鹵化物紫外光存儲

最近堿金屬鹵化物也開(kāi)始作為光存儲的電子俘獲材料研究起來(lái)。典型的有KC1：Eu 2+,KBr：Eu 2+等。輻照（寫(xiě)入）波段是紫外，激勵（讀出）綠光波段，讀出發(fā)光在藍光波段。一般認為這類(lèi)材料中電子陷阱是陰離子空位，發(fā)光中心是Eu離子。主要應用于X光影像存儲或者紫外影像存儲，這種材料的持續讀出信號隨時(shí)間的衰減不大，因此可以用做經(jīng)常讀出的存儲。

發(fā)展應用

1 制備技術(shù)的改進(jìn)

電子俘獲材料多數是粉末狀的，一般采用高溫固相反應法制備。制備費時(shí)費力，對環(huán)境的污染大。因此改進(jìn)制備技術(shù)，也是實(shí)用化的先決條件。目前有有采用二次固相反應法制備材料，減少反就時(shí)間，降低反應溫度，提高了產(chǎn)品的純度。有采用隔絕空氣法制備材料的，減少了制備的工序，提高反應的進(jìn)行的程度。目前高溫固相反應法是制備電子俘獲材料主要方法。為了克服高溫固相反應的缺點(diǎn)，可以針對不同類(lèi)型的材料嘗試低溫化學(xué)合成、生長(cháng)晶體等方法來(lái)制備，這還需要通過(guò)與現在制備方法的比較來(lái)摸索。

2 實(shí)用化改進(jìn)

目前對于這種材料的實(shí)用地面觀(guān)察站處于開(kāi)發(fā)階段。材料的封裝，制成器件的方法工藝，與之配套的生產(chǎn)、測試設備研制等具體技術(shù)問(wèn)題還有待解決。目前僅有美國和日本幾家公司有少量實(shí)驗室樣品，并沒(méi)有得到推廣?？梢?jiàn)這其中還有技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決。這不僅需要各個(gè)廠(chǎng)家和研究機構在技術(shù)上的投入，必要的時(shí)候還需要聯(lián)合起來(lái)形成一個(gè)行業(yè)的協(xié)議，同時(shí)與信息產(chǎn)業(yè)的相關(guān)協(xié)議規范結合，更有利于實(shí)用化推廣。

3 新材料的開(kāi)發(fā)

其一，目前做存儲研究的電子俘獲材料只有有限的幾種，使用中與現有的光源，主要是半導體激光器配合使用不十分有效，浪費了能源也制約了推廣使用；其二，目前研究得比較成熟的幾種材料都存在性質(zhì)不太穩定的問(wèn)題，主要的是潮解，而且受熱后存儲的內容不穩定，易丟失。這需要考慮比較簡(jiǎn)單適用的封裝；其三，目前使用的材料多數對環(huán)境有害，如硫化物，在生產(chǎn)中也極易造成污染；其四，從長(cháng)遠角度考慮，比如利用電子俘獲結合其他技術(shù)發(fā)展三維存儲，以及其他形式的存儲等?？傊m然有些類(lèi)型的電子俘獲材料的研究還剛剛開(kāi)始，但是新材料的開(kāi)發(fā)仍需進(jìn)行。一方面需要在材料制備摸索，另一方面對現有材料的存儲機制和細節問(wèn)題的清楚認識和歸納總結將對新材料的開(kāi)發(fā)起到指導性的作用。

電子俘獲材料在光存儲方面有無(wú)可比擬的優(yōu)勢，雖然人們在材料的機理、制備、器件以及新材料等方面做了很多有益的探討，但要達到全面作用仍需要做一些工作。機理方面還需要對整個(gè)過(guò)程進(jìn)行詳細的認識，這樣才能有的放矢地改進(jìn)材料的某方面的特性，如提高效率、增加穩定性等，進(jìn)而可以指導新材料的開(kāi)發(fā)。實(shí)用化需要盡可能的利用現有的光源條件，以降低實(shí)用化的成本，這一方面需要對現有材料的改進(jìn)，另一方面是開(kāi)發(fā)出合適的新材料，使得在各個(gè)波段都能有適用的存儲材料。只有在這些方面加強研究，電子俘獲光存儲材料才能真正的實(shí)用化。