隨著計(jì)算機(jī)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的信息內(nèi)容以數(shù)字化的形式豐在、傳輸和保存。因此對(duì)大容量信息存儲(chǔ)技術(shù)的研究就逐漸升溫。激光技術(shù)的不斷成熟，尤其是半導(dǎo)體激光器的成熟應(yīng)用，使得光存儲(chǔ)從最初的微縮照相發(fā)燕尾服成為快捷、方便、容量巨大的存儲(chǔ)技術(shù)，各種光ROM紛紛亮像，到最近的DVD-ROM發(fā)布之時(shí)，雙面5.25英寸大小已經(jīng)可以存儲(chǔ)10G比特的數(shù)據(jù)。

與磁介質(zhì)存儲(chǔ)相比光存儲(chǔ)技術(shù)壽命長(zhǎng)，非接觸式讀/寫，信息的載噪比（GNR0）高，信息位的價(jià)格低，但是不足也是明顯的：光盤機(jī)價(jià)格較貴，傳輸速率低，重復(fù)擦寫技術(shù)尚不成熟。主要的問(wèn)題集中在了重復(fù)擦寫技術(shù)上，研究人員針對(duì)這個(gè)問(wèn)題展開研究，先后提出了光致變色存儲(chǔ)，光譜燒孔材料光存儲(chǔ)，電子俘獲材料光存儲(chǔ)等新型存儲(chǔ)方法，其中電子俘獲光存儲(chǔ)材料的研究比較突出，在某此方面幾乎達(dá)到了實(shí)用化。

電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)除了高密度存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有響應(yīng)快，擦寫次數(shù)多，制備方便，造價(jià)低，應(yīng)用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。本文綜合介紹了近年來(lái)在電子俘獲材料領(lǐng)域內(nèi)的一些研究和應(yīng)用進(jìn)展。

技術(shù)原理

電子俘獲是一種光激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象。光激勵(lì)發(fā)光是指材料受到輻照時(shí)，產(chǎn)生的自由電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻照能量存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（波長(zhǎng)比輻照光長(zhǎng)），這些電子和空穴脫離陷阱而復(fù)合發(fā)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(chǔ)寫入與讀出的簡(jiǎn)單原理，如圖1所示。

當(dāng)用寫入光輻照時(shí)，材料中產(chǎn)生大量的電子和空穴，這些電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻射能量存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（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(fā)光中心復(fù)合發(fā)光。圖1中，過(guò)程1表示晶體受電離輻射產(chǎn)生躍過(guò)禁帶的自由電子和空穴，過(guò)程2、4表示自由電子被俘獲并暫時(shí)存儲(chǔ)在陷阱中，過(guò)程3、5存儲(chǔ)在陷阱中的電子和空穴在受可見光或紅外光激勵(lì)時(shí)躍遷出陷阱，又處于自由狀態(tài)，過(guò)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(fā)光中心離子的局域能級(jí)上發(fā)生復(fù)合，而把它們所帶的能量以一定波長(zhǎng)的能量（h v）釋放出來(lái)從而完成的整個(gè)讀出及寫入過(guò)程。電子俘獲光存儲(chǔ)的寫入（激發(fā)），讀出（激勵(lì)）的波長(zhǎng)范圍，受基質(zhì)的晶格影響，也受雜質(zhì)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(jí)，定域能級(jí)的不同，直接影響了激發(fā)、激勵(lì)以及激勵(lì)發(fā)光的不同。電子俘獲材料正是選擇了不同基質(zhì)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(zhǎng)由材料中的發(fā)光中心決定的。

主要類型

1 MFX類型X光影像存儲(chǔ)

這是一種典型的X光影像存儲(chǔ)材料，用做光存儲(chǔ)時(shí)，典型的BaFC1：Eu2+材料寫入使用X射線，讀出光波長(zhǎng)范圍是400～700nm，讀出發(fā)光波長(zhǎng)范圍是380～400nm。

目前這種材料是最接近于實(shí)用的，采用高溫（1000℃）固相反應(yīng)法能制備出純度較高的樣品。日本和美國(guó)的一些公司已經(jīng)推出使用MFX型電子俘獲材料做成像、存儲(chǔ)器件的醫(yī)用X光透視儀等產(chǎn)品。使用MFX型材料的存儲(chǔ)優(yōu)點(diǎn)是靈敏、可反復(fù)使用、易于集成數(shù)字系統(tǒng)。缺點(diǎn)是讀出信號(hào)的持續(xù)讀出衰減快，重復(fù)讀的次數(shù)有限。重復(fù)需要使用較高溫度熱漂白加光漂白，在配套技術(shù)方面仍需要突破。

2 堿土金屬硫化物紅外讀出存儲(chǔ)

1986年Iindmayer首先提出利用IIa～Vib化合物中某些雜質(zhì)離子的電子在光的作用下被陷阱俘獲和釋放的現(xiàn)象，發(fā)展了一種新的可擦除光存儲(chǔ)系統(tǒng)。并提出了電子俘材料這個(gè)概念。典型的材料有SrS:Eu,Sm,Cas:EU,Ce[26]等雙稀土摻雜，也有報(bào)道單稀土離子摻雜的，如CaS:Ce等。這類材料的寫入波長(zhǎng)在綠光波段，讀出光在近紅外波段，讀出發(fā)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(chǔ)外，也是一種很好的實(shí)現(xiàn)紅外光激勵(lì)材料。而且電子俘獲材料探測(cè)靈敏度高（μW量級(jí)），響應(yīng)快（可達(dá)幾十ns）。而更多的應(yīng)用是利用它可擦除，響應(yīng)快，做非線性光學(xué)元件，或者做布爾運(yùn)算元件用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光計(jì)算機(jī)中。這類材料缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性不好。信號(hào)衰減得快。盡管有報(bào)道使用這種材料與CCD耦合的紅外探測(cè)儀的研究工作，但是因?yàn)楦鞣N技術(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題也只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

3 堿金屬鹵化物紫外光存儲(chǔ)

最近堿金屬鹵化物也開始作為光存儲(chǔ)的電子俘獲材料研究起來(lái)。典型的有KC1：Eu 2+,KBr：Eu 2+等。輻照（寫入）波段是紫外，激勵(lì)（讀出）綠光波段，讀出發(fā)光在藍(lán)光波段。一般認(rèn)為這類材料中電子陷阱是陰離子空位，發(fā)光中心是Eu離子。主要應(yīng)用于X光影像存儲(chǔ)或者紫外影像存儲(chǔ)，這種材料的持續(xù)讀出信號(hào)隨時(shí)間的衰減不大，因此可以用做經(jīng)常讀出的存儲(chǔ)。

發(fā)展應(yīng)用

1 制備技術(shù)的改進(jìn)

電子俘獲材料多數(shù)是粉末狀的，一般采用高溫固相反應(yīng)法制備。制備費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)環(huán)境的污染大。因此改進(jìn)制備技術(shù)，也是實(shí)用化的先決條件。目前有有采用二次固相反應(yīng)法制備材料，減少反就時(shí)間，降低反應(yīng)溫度，提高了產(chǎn)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(yīng)的進(jìn)行的程度。目前高溫固相反應(yīng)法是制備電子俘獲材料主要方法。為了克服高溫固相反應(yīng)的缺點(diǎn)，可以針對(duì)不同類型的材料嘗試低溫化學(xué)合成、生長(zhǎng)晶體等方法來(lái)制備，這還需要通過(guò)與現(xiàn)在制備方法的比較來(lái)摸索。

2 實(shí)用化改進(jìn)

目前對(duì)于這種材料的實(shí)用地面觀察站處于開發(fā)階段。材料的封裝，制成器件的方法工藝，與之配套的生產(chǎn)、測(cè)試設(shè)備研制等具體技術(shù)問(wèn)題還有待解決。目前僅有美國(guó)和日本幾家公司有少量實(shí)驗(yàn)室樣品，并沒(méi)有得到推廣?？梢娺@其中還有技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決。這不僅需要各個(gè)廠家和研究機(jī)構(gòu)在技術(shù)上的投入，必要的時(shí)候還需要聯(lián)合起來(lái)形成一個(gè)行業(yè)的協(xié)議，同時(shí)與信息產(chǎn)業(yè)的相關(guān)協(xié)議規(guī)范結(jié)合，更有利于實(shí)用化推廣。

3 新材料的開發(fā)

其一，目前做存儲(chǔ)研究的電子俘獲材料只有有限的幾種，使用中與現(xiàn)有的光源，主要是半導(dǎo)體激光器配合使用不十分有效，浪費(fèi)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(zhì)不太穩(wěn)定的問(wèn)題，主要的是潮解，而且受熱后存儲(chǔ)的內(nèi)容不穩(wěn)定，易丟失。這需要考慮比較簡(jiǎn)單適用的封裝；其三，目前使用的材料多數(shù)對(duì)環(huán)境有害，如硫化物，在生產(chǎn)中也極易造成污染；其四，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，比如利用電子俘獲結(jié)合其他技術(shù)發(fā)展三維存儲(chǔ)，以及其他形式的存儲(chǔ)等?？傊m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(fā)仍需進(jìn)行。一方面需要在材料制備摸索，另一方面對(duì)現(xiàn)有材料的存儲(chǔ)機(jī)制和細(xì)節(jié)問(wèn)題的清楚認(rèn)識(shí)和歸納總結(jié)將對(duì)新材料的開發(fā)起到指導(dǎo)性的作用。

電子俘獲材料在光存儲(chǔ)方面有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，雖然人們?cè)诓牧系臋C(jī)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(dá)到全面作用仍需要做一些工作。機(jī)理方面還需要對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，這樣才能有的放矢地改進(jìn)材料的某方面的特性，如提高效率、增加穩(wěn)定性等，進(jìn)而可以指導(dǎo)新材料的開發(fā)。實(shí)用化需要盡可能的利用現(xiàn)有的光源條件，以降低實(shí)用化的成本，這一方面需要對(duì)現(xiàn)有材料的改進(jìn)，另一方面是開發(fā)出合適的新材料，使得在各個(gè)波段都能有適用的存儲(chǔ)材料。只有在這些方面加強(qiáng)研究，電子俘獲光存儲(chǔ)材料才能真正的實(shí)用化。