[发明专利]基于强耦合小尺寸金纳米棒的光信息存储介质

说明书

技术领域

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

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。

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“0”。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“0”，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0.4μm，相邻坑点的间距离仅为CD光盘的50％，且相邻轨距只有0.74μm。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。

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。

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”)后失去双光子荧光(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。

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140nm)，10μm厚的间隔层，0.75μm的像素尺寸，那么信息存储密度可达到1.1Tb/cm³，使得单张DVD光盘的容量提升至1.6TB。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。

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。