利用表面等离子激元近场隐失光聚焦的超高密度存储原理和技术研究

为了使我国在超高密度存储领域中有国际竞争力，打破发达国家的垄断，发展有自主知识产权的高新技术，以近场光学、扫描探针显微成像和微纳光电集成技术为基础，开展近场光学超高密度光存储应用基础研究。为此，提出"利用表面等离子激元近场隐失光聚焦的超高密度存储原理和技术研究"项目申请。.该项目基于原子力显微镜平台，以垂直腔面发射激光器（VCSEL）为光源，利用四面锥全镀银膜探针尖"表面等离子激元近场隐失光聚焦"原理，通过场增强和压缩光斑尺度来提高读写功率密度，从而实现新的超高密度近场光存储读写技术。本项目的研究目标是利用分立元件演示实现超高密度近场光存储原理，为超高密度近场光存储研究奠定原理和技术上的基础。.研究内容包括：①利用时域有限差分（FDTD）方法，进行近场读写的数值模拟和理论研究；②建立VCSEL和四面锥全镀银膜探针读写头；③建立超高密度近场光存储实验系统，进行超高密度近场光存储实验研究。

美国普度大学研究组利用在原子力探针尖镀膜开蝴蝶结孔的办法得到微探针,取得了很好的压缩光斑，并应用于光刻实验。我们的工作之一是：利用FDTD模拟研究了镀膜开蝴蝶结孔原子力微探针的近场聚焦和场分布，通过数值计算进行了参数优化。在此基础上我们的工作之二是：蝴蝶结探针尖侧面加上上牛眼微环结构，建立三维模型进行了FDTD模拟。通过公式推导出了产生共振增强时对应的牛眼环的周期。模拟计算中发现，牛眼微环环宽度的增加，使环两端电场耦合作用受到了影响，场增强因子变小，共振结构逐渐消失。改变蝴蝶孔的参数同样会影响场增强因子大小，蝴蝶结孔中间狭缝的宽度的减小，使两端电场耦合作用增强，场增强因子增大；蝴蝶结孔轮廓尺寸增大时，整个系统的共振峰位会产生红移，通过优化参数，计算中获得了391.69的最大场增强因子。该三维模型中，光波首先通过牛眼结构将能量汇聚到探针尖端，再通过蝴蝶结孔结构使能量进一步增强和集中，与单独的蝴蝶结孔比较，这两种结构组合后的增强效果有明显的提高。模拟结果在纳米光刻以及近场光存储中的应用有重要的理论参考价值。我们的工作之三是：通过模拟计算对可实现等离子激元共振实现压缩控制光斑尺寸的金属-介质-金属微缝结构进行了研究。我们的工作之四是：利用磁控溅射技术研制制备了光存储介质Ge2Sb2Te5薄膜。我们的工作之五是：利用原子力显微镜的变温控制功能研究了光存储介质Ge2Sb2Te5的温度变化特性及生长机制对今后进一步改进光存储介质提供参考。搭我们的工作之六是：建了以原子力显微镜为平台的实验系统。为了满足入射光源需要窄脉宽的要求，我们以xilinx9572可编程逻辑芯片作为核心控制器，编写了单脉冲触发程序，自制了纳秒级单触发信号发生器，并对输出的调制电压信号进行了测试，实现了对光源进行纳秒级调制。实验中提出了背面照射与侧面照射两种方案，背面照射时使用的是通过液相外延法生长的GaAs金字塔形探针尖，我们成功利用膜片钳系统将GaAs针尖与原子力接触模式探针上较短的悬臂相结合，建立了读写针尖。在侧向照射时采用的是镀金膜的无孔探针尖，利用在探针尖端产生的局部表面等离子体共振增强效应来记录信息，实验中入射光能量损失较大，利用数值模拟的方法对实验过程进行了分析，入射角度以及照射在针尖上的光斑尺寸都会影响到探针尖端的增强效果，如何将入射光能量有效地集中在探针尖端是下一步要解决的问题。