面向多维光学信息存储的深陷阱长余辉发光材料的设计合成及应用探索

Multidimensional optical data storage is one of the most promising technologies for developing next-generation data storage systems with super-high capacity and low energy cost. Exploiting novel optical storage media with information rewritability and multiplexing functionality is indispensable to realize super-high capacity optical storage. In this project, we propose a rewritable and multidimensional optical storage strategy based on deep-trap persistent luminescence. We are going to design and synthesize a series of deep-trap persistent luminescence materials with tunable trap depths and controllable emission wavelengths by means of a variety of methodologies including band-gap structure simulation, band-gap engineering, and trap-depth engineering. Persistent phosphor films with excellent stability against thermal attacks and high-power laser irradiation will also be prepared. We will clarify the relationship between the structure and the properties of the materials in order to reveal the nature of traps from the viewpoints of material physics and chemistry. Furthermore, we will construct a prototype device of multidimensional optical data storage by using blue laser recording in a point-by-point mode, realize high-through-output information storage and readout, and clarify the effect of material properties on the information storage and readout performances. By implementing this project, the development of multidimensional optical data storage system with super-high capacity will be promoted, and the design principle of deep-trap persistent luminescence materials as well as the related luminescent mechanisms will be understood.

多维光学信息存储是发展下一代超高容量、低耗节能信息存储系统最具潜力的技术手段之一，开发可重复擦写、具备多维复用属性的新型光学存储介质是实现超高容量光学信息存储的关键和基础。鉴于此，本项目提出一种基于深陷阱长余辉发光材料的可擦写、多维光学信息存储方式，并开展新材料的设计合成和应用探索工作。拟通过能带结构模拟计算和基体能带调控/陷阱能级调控等手段，设计并合成一系列陷阱深度可控、发光波长可调的深陷阱长余辉发光材料及耐高温、耐高能激光辐照的长余辉荧光粉体薄膜；研究材料的构效关系，揭示材料中决定陷阱深度和密度的材料物理化学机制；使用蓝光激光逐点刻录技术搭建多维光学信息存储原型器件，实现高通量信息刻录和读取，掌握材料性能对于信息存储和读取性能的影响规律。本项目的实施对于推动超高容量多维光学信息存储技术的发展具有重要的现实意义，同时对于深入理解深陷阱长余辉发光材料的设计原理和发光机理具有较高的理论价值。

多维光学信息存储是发展下一代超高容量、低耗节能信息存储系统最具潜力的技术手段之一，开发可重复擦写、具备多维复用属性的新型光学存储介质是实现超高容量光学信息存储的关键和基础。以存储光子能量作为信息刻录，并将光子可控释放作为信息读取过程，深陷阱长余辉发光材料被认为是一种具有重要应用价值的、可反复擦写的光存储介质。尽管如此，深陷阱长余辉发光材料在多维光学信息存储应用中的研究刚处于探索和起步阶段，在材料开发和应用探索两方面都存在许多问题有待解决。基于此，本项目系统开展了深陷阱长余辉发光材料和薄膜材料的合成制备、性能表征和构效关系分析等工作，最终搭建多维光学信息存储原型器件，主要在以下三个方面取得进展：（1）开发了NaYF4:Ln3+、NaMgF3:Ln3+、Y3Al5-xGaxO12:Ce3+,V3+等多个长余辉发光材料新体系。其中的氟化物材料体系为纳米颗粒，具有良好的水分散性和化学稳定性，发光波长与陷阱深度可控；氧化物体系可以与玻璃相复合形成PiG荧光粉体薄膜，具有优异的耐高温和耐激光辐照性能。上述材料的发现部分解决了材料尺寸纳米化、信息存储稳定性等信息存储应用中的关键材料问题。（2）通过系统研究稀土元素掺杂和材料陷阱的关系，证实了在所研究材料体系中，稀土元素同时作为发光中心和陷阱中心，陷阱深度由二价稀土基态与基质导带底的差值所决定，可以分别通过稀土元素种类和浓度调控陷阱深度和密度。该研究不仅对于长余辉发光材料的发光波长设计和陷阱深度调控提供了重要的参考，也为长余辉发光机理研究提供了一种具有普适性的解释。（3）构建了一种基于深陷阱长余辉发光波分复用的三维光学信息存储技术路线和原型器件方案，即在二维存储介质上同时沉积包含不同发光波长纳米长余辉发光材料的多层信息，经高能光源激活后存储信息，而在热激励或光激励条件下读取出包含波长信息的三维信息。该研究对于深陷阱长余辉发光材料在多维光学信息存储中的应用具有较大推动作用。