電子俘獲光存儲技術(shù)

隨著計算機和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的信息內(nèi)容以數(shù)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(dǎo)體激光器的成熟應(yīng)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，雙面5.25英寸大小已經(jīng)可以存儲10G比特的數(shù)據(jù)。

與磁介質(zhì)存儲相比光存儲技術(shù)壽命長，非接觸式讀/寫，信息的載噪比（GNR0）高，信息位的價格低，但是不足也是明顯的：光盤機價格較貴，傳輸速率低，重復(fù)擦寫技術(shù)尚不成熟。主要的問題集中在了重復(fù)擦寫技術(shù)上，研究人員針對這個問題展開研究，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用化。

電子俘獲光存儲技術(shù)除了高密度存儲的優(yōu)點外，還具有響應(yīng)快，擦寫次數(shù)多，制備方便，造價低，應(yīng)用方便靈活等優(yōu)點。本文綜合介紹了近年來在電子俘獲材料領(lǐng)域內(nèi)的一些研究和應(yīng)用進展。

技術(shù)原理

電子俘獲是一種光激勵發(fā)光現(xiàn)象。光激勵發(fā)光是指材料受到輻照時，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起來，當受到光激勵時（波長比輻照光長），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“電子俘獲材料”。電子俘獲光存儲寫入與讀出的簡單原理，如圖1所示。

當用寫入光輻照時，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起來。當受到光激勵時（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，過程1表示晶體受電離輻射產(chǎn)生躍過禁帶的自由電子和空穴，過程2、4表示自由電子被俘獲并暫時存儲在陷阱中，過程3、5存儲在陷阱中的電子和空穴在受可見光或紅外光激勵時躍遷出陷阱，又處于自由狀態(tài)，過程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(fù)合，而把它們所帶的能量以一定波長的能量（h v）釋放出來從而完成的整個讀出及寫入過程。電子俘獲光存儲的寫入（激發(fā)），讀出（激勵）的波長范圍，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波長由材料中的發(fā)光中心決定的。

主要類型

1 MFX類型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，典型的BaFC1：Eu2+材料寫入使用X射線，讀出光波長范圍是400～700nm，讀出發(fā)光波長范圍是380～400nm。

目前這種材料是最接近于實用的，采用高溫（1000℃）固相反應(yīng)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(yī)用X光透視儀等產(chǎn)品。使用MFX型材料的存儲優(yōu)點是靈敏、可反復(fù)使用、易于集成數(shù)字系統(tǒng)。缺點是讀出信號的持續(xù)讀出衰減快，重復(fù)讀的次數(shù)有限。重復(fù)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(xiàn)象，發(fā)展了一種新的可擦除光存儲系統(tǒng)。并提出了電子俘材料這個概念。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。這類材料的寫入波長在綠光波段，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，也是一種很好的實現(xiàn)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(yīng)快（可達幾十ns）。而更多的應(yīng)用是利用它可擦除，響應(yīng)快，做非線性光學(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。這類材料缺點是熱穩(wěn)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(jié)問題也只停留在實驗室階段。

3 堿金屬鹵化物紫外光存儲

最近堿金屬鹵化物也開始作為光存儲的電子俘獲材料研究起來。典型的有KC1：Eu 2+,KBr：Eu 2+等。輻照（寫入）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(yīng)用于X光影像存儲或者紫外影像存儲，這種材料的持續(xù)讀出信號隨時間的衰減不大，因此可以用做經(jīng)常讀出的存儲。

發(fā)展應(yīng)用

1 制備技術(shù)的改進

電子俘獲材料多數(shù)是粉末狀的，一般采用高溫固相反應(yīng)法制備。制備費時費力，對環(huán)境的污染大。因此改進制備技術(shù)，也是實用化的先決條件。目前有有采用二次固相反應(yīng)法制備材料，減少反就時間，降低反應(yīng)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(yīng)的進行的程度。目前高溫固相反應(yīng)法是制備電子俘獲材料主要方法。為了克服高溫固相反應(yīng)的缺點，可以針對不同類型的材料嘗試低溫化學(xué)合成、生長晶體等方法來制備，這還需要通過與現(xiàn)在制備方法的比較來摸索。

2 實用化改進

目前對于這種材料的實用地面觀察站處于開發(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(shè)備研制等具體技術(shù)問題還有待解決。目前僅有美國和日本幾家公司有少量實驗室樣品，并沒有得到推廣?？梢娺@其中還有技術(shù)問題沒有解決。這不僅需要各個廠家和研究機構(gòu)在技術(shù)上的投入，必要的時候還需要聯(lián)合起來形成一個行業(yè)的協(xié)議，同時與信息產(chǎn)業(yè)的相關(guān)協(xié)議規(guī)范結(jié)合，更有利于實用化推廣。

3 新材料的開發(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(xiàn)有的光源，主要是半導(dǎo)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(wěn)定的問題，主要的是潮解，而且受熱后存儲的內(nèi)容不穩(wěn)定，易丟失。這需要考慮比較簡單適用的封裝；其三，目前使用的材料多數(shù)對環(huán)境有害，如硫化物，在生產(chǎn)中也極易造成污染；其四，從長遠角度考慮，比如利用電子俘獲結(jié)合其他技術(shù)發(fā)展三維存儲，以及其他形式的存儲等。總之雖然有些類型的電子俘獲材料的研究還剛剛開始，但是新材料的開發(fā)仍需進行。一方面需要在材料制備摸索，另一方面對現(xiàn)有材料的存儲機制和細節(jié)問題的清楚認識和歸納總結(jié)將對新材料的開發(fā)起到指導(dǎo)性的作用。

電子俘獲材料在光存儲方面有無可比擬的優(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過程進行詳細的認識，這樣才能有的放矢地改進材料的某方面的特性，如提高效率、增加穩(wěn)定性等，進而可以指導(dǎo)新材料的開發(fā)。實用化需要盡可能的利用現(xiàn)有的光源條件，以降低實用化的成本，這一方面需要對現(xiàn)有材料的改進，另一方面是開發(fā)出合適的新材料，使得在各個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用化。