電子俘獲光存儲技術

隨著計算機和信息產業的發展，越來越多的信息內容以數字化的形式豐在、傳輸和保存。因此對大容量信息存儲技術的研究就逐漸升溫。激光技術的不斷成熟，尤其是半導體激光器的成熟應用，使得光存儲從最初的微縮照相發燕尾服成為快捷、方便、容量巨大的存儲技術，各種光ROM紛紛亮像，到最近的DVD-ROM發布之時，雙面5.25英寸大小已經可以存儲10G比特的數據。

與磁介質存儲相比光存儲技術壽命長，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，重復擦寫技術尚不成熟。主要的問題集中在了重復擦寫技術上，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除了高密度存儲的優點外，還具有響應快，擦寫次數多，制備方便，造價低，應用方便靈活等優點。本文綜合介紹了近年來在電子俘獲材料領域內的一些研究和應用進展。

技術原理

電子俘獲是一種光激勵發光現象。光激勵發光是指材料受到輻照時，產生的自由電子和空穴被俘獲在晶體內部的陷阱中，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合發光。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，材料中產生大量的電子和空穴，這些電子和空穴被俘獲在晶體內部的陷阱中，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）脫離陷阱而與發光中心復合發光。圖1中，過程1表示晶體受電離輻射產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，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光中心離子的局域能級上發生復合，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），讀出（激勵）的波長范圍，受基質的晶格影響，也受雜質原子，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、激勵以及激勵發光的不同。電子俘獲材料正是選擇了不同基質以及摻雜，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℃）固相反應法能制備出純度較高的樣品。日本和美國的一些公司已經推出使用MFX型電子俘獲材料做成像、存儲器件的醫用X光透視儀等產品。使用MFX型材料的存儲優點是靈敏、可反復使用、易于集成數字系統。缺點是讀出信號的持續讀出衰減快，重復讀的次數有限。重復需要使用較高溫度熱漂白加光漂白，在配套技術方面仍需要突破。

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化合物中某些雜質離子的電子在光的作用下被陷阱俘獲和釋放的現象，發展了一種新的可擦除光存儲系統。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），響應快（可達幾十ns）。而更多的應用是利用它可擦除，響應快，做非線性光學元件，或者做布爾運算元件用于神經網絡和光計算機中。這類材料缺點是熱穩定性不好。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，但是因為各種技術細節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，發光中心是Eu離子。主要應用于X光影像存儲或者紫外影像存儲，這種材料的持續讀出信號隨時間的衰減不大，因此可以用做經常讀出的存儲。

發展應用

1 制備技術的改進

電子俘獲材料多數是粉末狀的，一般采用高溫固相反應法制備。制備費時費力，對環境的污染大。因此改進制備技術，也是實用化的先決條件。目前有有采用二次固相反應法制備材料，減少反就時間，降低反應溫度，提高了產品的純度。有采用隔絕空氣法制備材料的，減少了制備的工序，提高反應的進行的程度。目前高溫固相反應法是制備電子俘獲材料主要方法。為了克服高溫固相反應的缺點，可以針對不同類型的材料嘗試低溫化學合成、生長晶體等方法來制備，這還需要通過與現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階段。材料的封裝，制成器件的方法工藝，與之配套的生產、測試設備研制等具體技術問題還有待解決。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。可見這其中還有技術問題沒有解決。這不僅需要各個廠家和研究機構在技術上的投入，必要的時候還需要聯合起來形成一個行業的協議，同時與信息產業的相關協議規范結合，更有利于實用化推廣。

3 新材料的開發

其一，目前做存儲研究的電子俘獲材料只有有限的幾種，使用中與現有的光源，主要是半導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不太穩定的問題，主要的是潮解，而且受熱后存儲的內容不穩定，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對環境有害，如硫化物，在生產中也極易造成污染；其四，從長遠角度考慮，比如利用電子俘獲結合其他技術發展三維存儲，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，但是新材料的開發仍需進行。一方面需要在材料制備摸索，另一方面對現有材料的存儲機制和細節問題的清楚認識和歸納總結將對新材料的開發起到指導性的作用。

電子俘獲材料在光存儲方面有無可比擬的優勢，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、增加穩定性等，進而可以指導新材料的開發。實用化需要盡可能的利用現有的光源條件，以降低實用化的成本，這一方面需要對現有材料的改進，另一方面是開發出合適的新材料，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。