超分辨纳米光信息存储及器件的基础研究

随着信息时代的到来，信息量以指数方式上升，相应地要求光信息存储的最小记录点尺寸达到纳米尺度，存储器件的容量达到太位级。由于受到光学衍射极限的制约，传统的光存储已接近其存储密度的极限，需要研究突破衍射极限的纳米光信息存储的新方法、新技术。本项目将从突破衍射极限的光学行为和物理机制入手，采用远场光束调制、近场结构功能膜层缩斑和记录层场强阈值调控等相结合的方法，研究实现1/10波长尺度的超分辨纳米光信息存储的新途径，探索激光与材料相互作用过程中的纳米尺度微结构变化而引起的光场分布特性改变所产生的新现象和新机制，认识其内在联系和作用规律，解决超分辨纳米光存储原理及器件应用中的基本科学问题，发展超分辨集成关键技术，并将之应用于超高密度太位级超分辨光盘器件，实现信息点尺寸30-50nm的记录与读出，单层面密度达到60-80Gb每平方英寸，形成具有自主知识产权的下一代超高密度信息存储的核心技术基础。

当前已进入大数据时代，数据成为新型战略资源，大数据发展上升为国家战略。数据存储是大数据时代亟待突破的技术屏障之一。研究表明，光存储在应对安全、能耗、寿命、成本等挑战方面具有独特优势，特别适合大数据的长期保存。但由于受限于光学衍射极限，目前的光存储器记录密度和容量已接近其理论极限，无法满足日益增长的需求，需要发展超分辨纳米光信息存储的新技术。. 本项目开展超分辨纳米光信息存储及器件的基础研究。提出了一种融合二元光学元件和非线性饱和吸收薄膜的近-远场结合超分辨新方法，具有缩小光斑、压缩旁瓣和延长焦深的特点。结合相变记录材料，在保持长焦深特性的同时，利用相变阈值可进一步减小记录点尺寸到100nm以下，适合于超分辨纳米光存储。构建了超分辨动态光记录测试系统，具备脉宽TTL调制、数值孔径可切换和自动聚焦等功能。设计、制备了多种新型超分辨光存储材料，成功实现了超分辨记录和读出。通过优化实验条件，最小记录点尺寸可达31nm，仅是记录光斑尺寸的1/20，面密度可达60Gb每平方英寸以上。系统研究了激光记录功率、脉冲宽度等对记录点尺寸和微观结构的影响，通过控制激光参数可获得不同种类的记录点，这为灰度编码记录奠定了基础，可以在实现超分辨记录的基础上进一步提高存储密度。 建立了一套非线性光-热理论模型来描述掩膜材料的超分辨效应，合理解释了超分辨读出实验中发现的阈值功率依赖关系。通过分析薄膜结构中不同时刻和位置的光场、热场分布，获得了超分辨光记录优化薄膜结构。系统分析了薄膜材料激光诱导结构转变的时间分辨过程，提出了超分辨开关机理和分辨率增强机制。上述研究结果为深入理解超分辨光存储器件的工作机制、优化其超分辨特性奠定了重要的基础。. 本项目实施过程中，出版英文著作3部，在国内外重要学术期刊和本领域重要的国际学术会议上发表论文72篇（其中在SCI收录的期刊上发表论文52篇）。培养研究生18名（其中博士研究生8名），申请国家发明专利16项。