电子俘获光存储技术

2006-05-07 15:50:15来源: 电子产品世界

随着计算机和信息产业的发展,越来越多的信息内容以数字化的形式丰在、传输和保存。因此对大容量信息存储技术的研究就逐渐升温。激光技术的不断成熟,尤其是半导体激光器的成熟应用,使得光存储从最初的微缩照相发燕尾服成为快捷、方便、容量巨大的存储技术,各种光ROM纷纷亮像,到最近的DVD-ROM发布之时,双面5.25英寸大小已经可以存储10G比特的数据。

与磁介质存储相比光存储技术寿命长,非接触式读/写,信息的载噪比(GNR0)高,信息位的价格低,但是不足也是明显的:光盘机价格较贵,传输速率低,重复擦写技术尚不成熟。主要的问题集中在了重复擦写技术上,研究人员针对这个问题展开研究,先后提出了光致变色存储,光谱烧孔材料光存储,电子俘获材料光存储等新型存储方法,其中电子俘获光存储材料的研究比较突出,在某此方面几乎达到了实用化。

电子俘获光存储技术除了高密度存储的优点外,还具有响应快,擦写次数多,制备方便,造价低,应用方便灵活等优点。本文综合介绍了近年来在电子俘获材料领域内的一些研究和应用进展。

技术原理

电子俘获是一种光激励发光现象。光激励发光是指材料受到辐照时,产生的自由电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中,从而将辐照能量存储起来,当受到光激励时(波长比辐照光长),这些电子和空穴脱离陷阱而复合发光。因而这种材料被形象地称为“电子俘获材料”。电子俘获光存储写入与读出的简单原理,如图1所示。

当用写入光辐照时,材料中产生大量的电子和空穴,这些电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中,从而将辐射能量存储起来。当受到光激励时(即读出光,能量小于写入光),陷阱中的载流子(电子和空穴)脱离陷阱而与发光中心复合发光。图1中,过程1表示晶体受电离辐射产生跃过禁带的自由电子和空穴,过程2、4表示自由电子被俘获并暂时存储在陷阱中,过程3、5存储在陷阱中的电子和空穴在受可见光或红外光激励时跃迁出陷阱,又处于自由状态,过程6、7、8表示这些自由电子和空穴可以在材料中的某些发光中心离子的局域能级上发生复合,而把它们所带的能量以一定波长的能量(h v)释放出来从而完成的整个读出及写入过程。电子俘获光存储的写入(激发),读出(激励)的波长范围,受基质的晶格影响,也受杂质原子,晶格缺陷,以及一些破坏晶格周期性的界面等的影响。破坏了晶格的周期性,就可能在禁带中形成一些定域能级,定域能级的不同,直接影响了激发、激励以及激励发光的不同。电子俘获材料正是选择了不同基质以及掺杂,得到了不同波段的存取。电子俘获材料的读写波长由材料中的发光中心决定的。

主要类型

1 MFX类型X光影像存储

这是一种典型的X光影像存储材料,用做光存储时,典型的BaFC1:Eu2+材料写入使用X射线,读出光波长范围是400~700nm,读出发光波长范围是380~400nm。

目前这种材料是最接近于实用的,采用高温(1000℃)固相反应法能制备出纯度较高的样品。日本和美国的一些公司已经推出使用MFX型电子俘获材料做成像、存储器件的医用X光透视仪等产品。使用MFX型材料的存储优点是灵敏、可反复使用、易于集成数字系统。缺点是读出信号的持续读出衰减快,重复读的次数有限。重复需要使用较高温度热漂白加光漂白,在配套技术方面仍需要突破。

2 碱土金属硫化物红外读出存储

1986年Iindmayer首先提出利用IIa~Vib化合物中某些杂质离子的电子在光的作用下被陷阱俘获和释放的现象,发展了一种新的可擦除光存储系统。并提出了电子俘材料这个概念。典型的材料有SrS:Eu,Sm,Cas:EU,Ce[26]等双稀土掺杂,也有报道单稀土离子掺杂的,如CaS:Ce等。这类材料的写入波长在绿光波段,读出光在近红外波段,读出发光在红光波段。因此具有很广阔的利用空间。

碱土金属硫化物的主要读出波段的近红外,因此除了可以用做存储外,也是一种很好的实现红外光激励材料。而且电子俘获材料探测灵敏度高(μW量级),响应快(可达几十ns)。而更多的应用是利用它可擦除,响应快,做非线性光学元件,或者做布尔运算元件用于神经网络和光计算机中。这类材料缺点是热稳定性不好。信号衰减得快。尽管有报道使用这种材料与CCD耦合的红外探测仪的研究工作,但是因为各种技术细节问题也只停留在实验室阶段。

3 碱金属卤化物紫外光存储

最近碱金属卤化物也开始作为光存储的电子俘获材料研究起来。典型的有KC1:Eu 2+,KBr:Eu 2+等。辐照(写入)波段是紫外,激励(读出)绿光波段,读出发光在蓝光波段。一般认为这类材料中电子陷阱是阴离子空位,发光中心是Eu离子。主要应用于X光影像存储或者紫外影像存储,这种材料的持续读出信号随时间的衰减不大,因此可以用做经常读出的存储。

发展应用

1 制备技术的改进

电子俘获材料多数是粉末状的,一般采用高温固相反应法制备。制备费时费力,对环境的污染大。因此改进制备技术,也是实用化的先决条件。目前有有采用二次固相反应法制备材料,减少反就时间,降低反应温度,提高了产品的纯度。有采用隔绝空气法制备材料的,减少了制备的工序,提高反应的进行的程度。目前高温固相反应法是制备电子俘获材料主要方法。为了克服高温固相反应的缺点,可以针对不同类型的材料尝试低温化学合成、生长晶体等方法来制备,这还需要通过与现在制备方法的比较来摸索。

2 实用化改进

目前对于这种材料的实用地面观察站处于开发阶段。材料的封装,制成器件的方法工艺,与之配套的生产、测试设备研制等具体技术问题还有待解决。目前仅有美国和日本几家公司有少量实验室样品,并没有得到推广。可见这其中还有技术问题没有解决。这不仅需要各个厂家和研究机构在技术上的投入,必要的时候还需要联合起来形成一个行业的协议,同时与信息产业的相关协议规范结合,更有利于实用化推广。

3 新材料的开发

其一,目前做存储研究的电子俘获材料只有有限的几种,使用中与现有的光源,主要是半导体激光器配合使用不十分有效,浪费了能源也制约了推广使用;其二,目前研究得比较成熟的几种材料都存在性质不太稳定的问题,主要的是潮解,而且受热后存储的内容不稳定,易丢失。这需要考虑比较简单适用的封装;其三,目前使用的材料多数对环境有害,如硫化物,在生产中也极易造成污染;其四,从长远角度考虑,比如利用电子俘获结合其他技术发展三维存储,以及其他形式的存储等。总之虽然有些类型的电子俘获材料的研究还刚刚开始,但是新材料的开发仍需进行。一方面需要在材料制备摸索,另一方面对现有材料的存储机制和细节问题的清楚认识和归纳总结将对新材料的开发起到指导性的作用。

电子俘获材料在光存储方面有无可比拟的优势,虽然人们在材料的机理、制备、器件以及新材料等方面做了很多有益的探讨,但要达到全面作用仍需要做一些工作。机理方面还需要对整个过程进行详细的认识,这样才能有的放矢地改进材料的某方面的特性,如提高效率、增加稳定性等,进而可以指导新材料的开发。实用化需要尽可能的利用现有的光源条件,以降低实用化的成本,这一方面需要对现有材料的改进,另一方面是开发出合适的新材料,使得在各个波段都能有适用的存储材料。只有在这些方面加强研究,电子俘获光存储材料才能真正的实用化。

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