電子捕獲光存儲(chǔ)技術(shù)的新進(jìn)展

電子捕獲光存儲(chǔ)技術(shù)的新進(jìn)展

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和信息設(shè)備的快速更新，不同的信息載體對(duì)其存儲(chǔ)功能和存儲(chǔ)功能提出了更高的要求。為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展,信息載體不僅要求其記憶材料具有信息儲(chǔ)存量大、高存儲(chǔ)密度的功能,而且還要其具有高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲(chǔ)壽命、高的擦寫次數(shù)及很高的重復(fù)操作性。就拿迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō),電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)當(dāng)屬發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男畔⒋鎯?chǔ)技術(shù)。1典型的電子光存儲(chǔ)材料1.1光激勵(lì)光照機(jī)理以BaFBr為代表,常用于X射線或紫外光影像存儲(chǔ)。讀出光波長(zhǎng)在400~700nm之間,讀出發(fā)光為380~400nm之間的藍(lán)紫色發(fā)光。該種材料為研究最早、具有最強(qiáng)實(shí)用化程度的電子俘獲材料之一,其光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的研究,奠定了電子俘獲光存儲(chǔ)機(jī)理研究的基礎(chǔ)。目前BaFX:Eu2+(X=C1,Br)的光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的模型主要有以下幾類:其一,以日本TakahashiK為代表的導(dǎo)帶復(fù)合模型;其二,以德國(guó)vonSeggernH為代表的隧穿模型;其三,近年新提出的導(dǎo)帶隧穿并行模型。1.2電子陷阱離化和復(fù)合例如SrS:Eu,Sm等。該類材料的寫入光波長(zhǎng)在紫外或藍(lán)光區(qū),讀出光在近紅外區(qū)域,讀出發(fā)光波長(zhǎng)范圍從綠光到紅光。除了用于光信息存儲(chǔ)外,該材料還廣泛應(yīng)用于光信息處理中。對(duì)于SrS:Eu2+,Sm3+的電子俘獲機(jī)理,一般認(rèn)為:Eu2+是發(fā)光中心,Sm3+是電子陷阱,在寫入讀出時(shí)分別產(chǎn)生如下離化、復(fù)合或俘獲過(guò)程:Eu2+~Eu3++e,Sm3++e~Sm2+,但新的研究發(fā)現(xiàn)將Sm3+獨(dú)立地作為電子陷阱仍存在問(wèn)題。最新的發(fā)光機(jī)理研究表明,雜質(zhì)引起的缺陷而不是雜質(zhì)本身承擔(dān)電子俘獲中心或空穴俘獲中心,離子雜質(zhì)的價(jià)態(tài)在激發(fā)后的光存儲(chǔ)狀態(tài)下沒(méi)有發(fā)生改變。光激勵(lì)吸收帶以外的波長(zhǎng)范圍的Sm3+吸收峰(6H5/2-6F1/2,3/2)沒(méi)有發(fā)生變化,由此Sm3+離子在激發(fā)前后的價(jià)態(tài)和數(shù)量并沒(méi)有發(fā)生變化,即Sm3+在激發(fā)后沒(méi)有因?yàn)殡娮臃@或空穴俘獲轉(zhuǎn)變?yōu)镾m2+或Sm4+。研究表明,共摻雜時(shí),Eu2+離子的束縛空穴能力遠(yuǎn)大于Sm3+離子;Sm3+離子的作用就是與俘獲中心組成為復(fù)合體陷阱并影響陷阱能級(jí)的深度,使陷阱在室溫下能穩(wěn)定地存儲(chǔ)電子。一些過(guò)渡元素離子或稀土離子也有這個(gè)作用,如Mn、La。1.3新型活性染料典型的有KC1:Eu、CsBr:Eu等。其寫入波長(zhǎng)為X射線或紫外光,讀出光波長(zhǎng)范圍從綠光到紅光,讀出發(fā)光波長(zhǎng)范圍從藍(lán)光到綠光。該類型為新興的一類電子俘獲存儲(chǔ)材料,一般具有較深的陷阱,讀出衰減較慢。在材料改進(jìn)方面,新研究的KCl:Eu,KBr:Eu,NaCl:Cu等的紫外(X射線)存儲(chǔ),具有相對(duì)較緩慢的讀出衰減,可更好地彌補(bǔ)BaFB:的較快衰減特性。這類材料雖然容易制備成單晶,但是摻雜后易潮解,部分材料還可能具有放射性,不利于民用。而且部分材料的有效原子系數(shù)小,不利于做高能射線存儲(chǔ),也限制了使用范圍。另外在此類材料中發(fā)現(xiàn)的光激勵(lì)發(fā)光衰減慢的原因尚未得到很好的解釋,深陷阱不易擦除(或存儲(chǔ)信息殘留)對(duì)反復(fù)使用也不利。1.4氟氧化物玻璃陶瓷玻璃陶瓷材料為近年來(lái)最新投入研究的電子俘獲光存儲(chǔ)材料。已有報(bào)道用于電子俘獲的玻璃陶瓷材料有硼酸鹽玻璃陶瓷、氟鋁酸鹽玻璃陶瓷和氟鋯酸鹽玻璃陶瓷等。氟氧化物玻璃陶瓷的研究目前正在進(jìn)行中。玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)是以玻璃作為基質(zhì),鑲嵌有若干摻有稀土發(fā)光中心的微晶。由于玻璃陶瓷材料均勻且各向同性,不存在雙折射及光散射現(xiàn)象,因此能得到更高的空間分辨率。眾所周知,玻璃陶瓷經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié),性質(zhì)穩(wěn)定,易于存放和加工,以此為基質(zhì),又可克服以往電子俘獲材料穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)。最近研究的氟氧化物玻璃陶瓷在化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械度、激光損傷敏值等指標(biāo)上都有明顯的優(yōu)越性,而且易制成各種形狀。它雖然在宏觀上獲得了光激勵(lì)發(fā)光,但是有關(guān)光激勵(lì)發(fā)光的來(lái)源,以及相關(guān)的電子、空穴俘獲中心的位置和存在方式,存儲(chǔ)能量的傳遞等仍然是有待研究解決的問(wèn)題。2電子受害者光存儲(chǔ)的改變電子俘獲是一種光激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象。光激勵(lì)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(nèi)部的陷阱中,從而將輻照能量存儲(chǔ)起來(lái),當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)(波長(zhǎng)比輻照光長(zhǎng)),這些電子和空穴脫離陷阱而復(fù)合發(fā)光。因而這種材料被形象地稱為“電子浮獲材料”。電子俘獲光存儲(chǔ)寫入與讀出的簡(jiǎn)單原理,如圖1所示。當(dāng)用寫入光輻照時(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(nèi)部的陷阱中,從而將輻射能量存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)(即讀出光,能量小于寫入光),陷阱中的載流子(電子和空穴)脫離陷阱而與發(fā)光中心復(fù)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(chǔ)在陷阱中,過(guò)程3、5存儲(chǔ)在陷阱中的電子和空穴在受可見光或紅外光激勵(lì)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(jí)上發(fā)生復(fù)合,而把它們所帶的能量以一定波長(zhǎng)的能量(hv)釋放出來(lái)從而完成整個(gè)讀出及寫入過(guò)程。電子俘獲光存儲(chǔ)的寫入(激發(fā)),讀出(激勵(lì))的波長(zhǎng)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(jí),定域能級(jí)的不同,直接影響了激發(fā)、激勵(lì)以及激勵(lì)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波長(zhǎng)由材料中的發(fā)光中心決定。3光催化存儲(chǔ)的應(yīng)用傳統(tǒng)電子光存儲(chǔ)材料仍存在很多缺點(diǎn)和不足,大致可以分為如下幾點(diǎn):(1)目前做存儲(chǔ)研究的電子俘獲材料只有有限的幾種使用的光源,主要是半導(dǎo)體激光器配。這種光源由于浪費(fèi)了能源制約了它的推廣使用。(2)目前研究得比較成熟的幾種材料都存在性質(zhì)不穩(wěn)定的問(wèn)題,主要是潮解,而且受熱后存儲(chǔ)的性能不穩(wěn)定,易丟失。(3)當(dāng)前使用的材料多數(shù)對(duì)環(huán)境有害,如硫化在生產(chǎn)中也極易造成污染。(4)從進(jìn)一步提高存密度角度考慮,現(xiàn)有電子俘獲的潛力不足,既要結(jié)合其它技術(shù)發(fā)展出三維存儲(chǔ),以及其它形式的密度存儲(chǔ),也需要發(fā)展新的基體存儲(chǔ)材料。由以上分析可見,現(xiàn)有的電子俘獲光存儲(chǔ)材料還存在了很多的問(wèn)題,而解決這些問(wèn)題的一個(gè)最有效的途徑就是開發(fā)新的材料。硅酸鋅即為一種良好的基質(zhì)材料,它具有良