▍導(dǎo)讀

信息時(shí)代下的數(shù)據(jù)總量正在以幾何級(jí)次爆炸式增長(zhǎng)，亟需發(fā)展安全可靠的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。1974年，前蘇聯(lián)科學(xué)家彼爾索諾夫在研究激光輻照有機(jī)分子的光吸收時(shí)發(fā)現(xiàn)了光譜燒孔現(xiàn)象，其同時(shí)利用了頻域和空域維度，若進(jìn)一步與全息技術(shù)結(jié)合，將產(chǎn)生超高存儲(chǔ)密度，可滿(mǎn)足大容量冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。然而，傳統(tǒng)光譜燒孔介質(zhì)的均勻線(xiàn)寬隨環(huán)境溫度上升而急劇寬化，在超過(guò)液氦溫度（4.2 K）后難以保存信息，發(fā)展室溫全息光譜燒孔存儲(chǔ)已成為本領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

近日，東北師范大學(xué)劉益春院士、付申成教授在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、Scopus、核心期刊）發(fā)表了題為“室溫全息光譜燒孔：實(shí)現(xiàn)路徑與研究展望”的綜述文章。

該綜述簡(jiǎn)要回顧了光譜燒孔的發(fā)展歷程和存在瓶頸，并基于等離激元光譜燒孔的基本原理，闡述了過(guò)渡金屬氧化物/貴金屬功能基元室溫全息光譜燒孔的新思想，展示了大面積全息盤(pán)片和小型化全息存儲(chǔ)器的最新成果，分析并展望了功能基元空間序構(gòu)對(duì)光譜燒孔存儲(chǔ)密度提升的可行性。

▍引言

光譜燒孔是頻率選擇的光存儲(chǔ)，是一種高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。在稀土離子摻雜的晶體、有機(jī)分子或金屬納米團(tuán)簇中，格位環(huán)境完全相同的激活中心（或吸收中心）光譜寬度被稱(chēng)為“均勻線(xiàn)寬”（Г?）；當(dāng)離子、分子或納米團(tuán)簇所處環(huán)境不同時(shí)，各激活中心的頻率會(huì)有微小移動(dòng)，整體疊加出的包絡(luò)線(xiàn)寬度被稱(chēng)為“非均勻線(xiàn)寬”（Г??）。在使用帶寬小于非均勻線(xiàn)寬的激光激發(fā)時(shí)，只有對(duì)應(yīng)共振頻率的吸收中心發(fā)生光物理或光化學(xué)變化，再通過(guò)可調(diào)諧激光掃描整個(gè)吸收譜帶，共振的激活中心吸收出現(xiàn)飽和，而非共振的激活中心仍有正常的吸收，這樣就會(huì)在原來(lái)的吸收線(xiàn)型上出現(xiàn)凹陷，也就是光譜線(xiàn)型上的“孔”，整個(gè)過(guò)程被定義為“光譜燒孔”，其存儲(chǔ)密度的理論極限值R=Г??/Г?。進(jìn)一步將光譜燒孔技術(shù)與全息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多頻全息圖存儲(chǔ)，在吸收譜帶上仍可觀(guān)測(cè)到吸收線(xiàn)型上的“孔”，這樣的記錄過(guò)程可被稱(chēng)為“全息光譜燒孔”。然而傳統(tǒng)光譜燒孔材料基于電子-聲子相互作用，當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，存儲(chǔ)陷阱向激發(fā)態(tài)的電子逆躍遷幾率變大，室溫下Г?寬化并接近Г??，R值趨近于1，導(dǎo)致存儲(chǔ)的高密度信息丟失。

圖1：（a，b）局域表面等離激元光譜燒孔示意圖；（c）光譜燒孔型全息光盤(pán)原型；（d）小型化全息存儲(chǔ)器

▍局域表面等離激元光譜燒孔的原理與實(shí)驗(yàn)

研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)思路、另辟蹊徑，基于過(guò)渡金屬氧化物/貴金屬體系，提出室溫全息光譜燒孔的新方法。金屬顆粒的局域表面等離激元共振能量遠(yuǎn)大于室溫?zé)峒せ钅?，受環(huán)境溫度影響極低，振蕩頻率通常由顆粒尺寸、形狀、周?chē)殡姯h(huán)境和金屬種類(lèi)所決定。當(dāng)共振頻率激光誘導(dǎo)金屬顆粒發(fā)生光物理或光化學(xué)變化時(shí)，其固有的吸收中心降低，整個(gè)吸收譜帶在共振頻率處產(chǎn)生凹陷，形成“等離激元光譜孔”（Plasmonic spectral hole）。過(guò)渡金屬氧化物（簡(jiǎn)寫(xiě)MO?，如ZnO、TiO?、Ta?O?、Nb?O?等）通常具有較寬的帶隙，在近紫外至可見(jiàn)區(qū)透明，是可見(jiàn)光激勵(lì)貴金屬光化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)異載體。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了氧化物半導(dǎo)體/貴金屬的納尺度肖特基界面，通過(guò)相干光誘導(dǎo)貴金屬的等離激元共振，光生電子在界面電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下向氧化物轉(zhuǎn)移，完成金屬離子化和信息寫(xiě)入。進(jìn)一步基于等離激元對(duì)光場(chǎng)電矢量和頻率的依賴(lài)特性，實(shí)現(xiàn)了偏振、波長(zhǎng)調(diào)制的多維高密度全息存儲(chǔ)。引入肖特基界面電子陷阱，阻斷貴金屬離子的還原路徑，發(fā)展出抗紫外線(xiàn)、抗X射線(xiàn)擦除的新型高密度永久全息存儲(chǔ)體系。

光譜燒孔的孔寬、孔深、不同孔間的相互串?dāng)_直接影響全息存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)效率。對(duì)于MO?:Ag（Au）納米復(fù)合體系，可從氧化物半導(dǎo)體物性調(diào)控、局域表面等離激元共振角度出發(fā)，增強(qiáng)光譜燒孔存儲(chǔ)性能。在信息存儲(chǔ)密度方面，考慮氧化物介電環(huán)境對(duì)納米Ag局域態(tài)電子振蕩頻率的調(diào)制作用，設(shè)計(jì)“過(guò)渡金屬氧化物/貴金屬”功能基元的空間序構(gòu)，如構(gòu)建“…Ag/MO?/SiO?/Ag/MO?…”或“…Ag/MO?/SiO?/Au/MO?…”疊層結(jié)構(gòu)，氧化物的物理間隔以及Ag、Au顆粒的交錯(cuò)排布能夠有效屏蔽Ag納米顆粒的相互融合，從而抑制不同共振頻率處的光譜燒孔串?dāng)_。

為了推進(jìn)光譜燒孔型全息存儲(chǔ)的實(shí)用化，通過(guò)優(yōu)化絲網(wǎng)印刷技術(shù)和退火工藝，制備了外徑8 cm的等離激元全息存儲(chǔ)光盤(pán)。通過(guò)活化等離激元記錄層和功能化修飾，存儲(chǔ)效率和全息圖讀取穩(wěn)定性得到了大幅提升，全息信號(hào)的空間波動(dòng)率降低至3%以下，實(shí)現(xiàn)了良好的空間點(diǎn)位尋址和全息存取。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了與光譜燒孔型全息光盤(pán)適配的小型化全息存儲(chǔ)器。在50 cm×40 cm×10 cm空間內(nèi)，建立了可見(jiàn)區(qū)（400～720 nm）多頻同軸全息記錄模塊、X-Y平移/旋轉(zhuǎn)可調(diào)諧的電控機(jī)械尋址模塊和全息圖實(shí)時(shí)采集模塊。該系統(tǒng)與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有更為優(yōu)異的多波長(zhǎng)全息存儲(chǔ)和讀取能力，為真三維、全彩色全息數(shù)據(jù)處理提供了優(yōu)異平臺(tái)。

▍結(jié)論與展望

針對(duì)傳統(tǒng)光譜燒孔中的低溫工作局限，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了“過(guò)渡金屬氧化物/貴金屬”功能基元的室溫穩(wěn)定光譜燒孔。系統(tǒng)闡述了局域等離激元光譜燒孔的形成原理和影響因素，特別提出通過(guò)構(gòu)建“MO?:Ag（Au）”功能基元序構(gòu)拓展光譜非均勻線(xiàn)寬、提高存儲(chǔ)密度的新思想。同時(shí)也介紹了近期在大面積光譜燒孔型全息光盤(pán)和小型化全息存儲(chǔ)器方面的工作進(jìn)展。前期的系列工作拓展了過(guò)渡金屬氧化物功能薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域，為寬禁帶半導(dǎo)體的光發(fā)射—光存儲(chǔ)集成微納器件研制提供了工作基礎(chǔ)和發(fā)展思路。

| 通訊作者簡(jiǎn)介 |

劉益春，東北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院院士。第七屆教育部科技委數(shù)理學(xué)部委員，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)第八屆學(xué)科評(píng)議組成員，國(guó)際發(fā)光會(huì)議(ICL)程委會(huì)委員(2020大會(huì)主席)，國(guó)際II-VI族化合物材料會(huì)議顧委會(huì)委員，中國(guó)科學(xué)院BR計(jì)劃，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才。主要從事氧化物半導(dǎo)體光電功能材料與器件研究。

付申成，東北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。教育部東北區(qū)物理學(xué)專(zhuān)業(yè)教指委常務(wù)委員、吉林省物理學(xué)會(huì)理事、吉林省光學(xué)學(xué)會(huì)理事。作為主要完成人獲吉林省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，長(zhǎng)春市第八批有突出貢獻(xiàn)專(zhuān)家。主要從事光全息技術(shù)、光致變色功能材料與器件的研究。

| 論文信息 |

付申成,劉益春.室溫全息光譜燒孔：實(shí)現(xiàn)路徑與研究展望[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2023,44(07):1123-1130.

DOI：10.37188/CJL.20230086.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230086/

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