廈大解榮軍課題組Adv. Funct. Mater.：面向高容量光學信息存儲的深陷阱長余輝發光材料

【引言】

長余輝發光材料是利用能量陷阱對入射光子的捕獲和緩慢再釋放而產生持續發光的一類特殊光學功能材料，根據材料中陷阱密度和陷阱深度不同，其發光壽命從數秒至數小時不等。基于這種獨特的發光性能，室溫長余輝發光材料已被廣泛應用于夜間指示照明及交流LED器件中，并成為生物熒光標記和光學信息存儲領域的研究熱點。與室溫長余輝發光材料相比，深陷阱長余輝材料在室溫下載流子的釋放速度極慢。由于具有在室溫下存儲信息，在高溫或額外光激勵下釋放信息的雙重特性，深陷阱長余輝材料是一類理想的光學信息存儲介質。并且，由于信息讀取時的光子發射包含特定的光譜特征，結合波分復用和強度復用技術，以深陷阱長余輝發光材料為存儲介質有望研發出多信息維度的光學信息存儲系統，解決傳統二維光學信息存儲介質（如光盤等）存儲容量難以提升的困境。

【成果簡介】

近日，廈門大學解榮軍課題組在新型光學信息存儲材料方面取得一定的研究進展。課題組莊逸熙博士等研究人員在Advanced Functional Materials上在線發表了題為“Optical data storage and multicolor emission readout in flexible films using deep-trap persistent luminescence materials”的文章。在該項工作中，研究團隊利用深陷阱長余輝發光材料對于光子的吸收存儲和選擇性再釋放的特性，首次采用激光刻錄技術演示了以深陷阱長余輝發光粉體薄膜為存儲介質的高通量光學信息逐點寫入-全域讀取/逐點讀取。研究團隊還成功實現了對讀取信號的發光顏色和發光強度的調控，這對于研發新一代具有超高存儲容量的多維光學信息存儲系統具有重要意義。除了以高溫熱激活進行信息讀取之外，研究團隊也演示了通過近紅外光束逐點掃描讀取薄膜中被寫入的信息。逐點寫入-逐點讀取的方式更易于與目前廣泛使用的光盤存儲技術兼容。

【圖文導讀】

圖1 熒光粉體薄膜的制備及其在光學信息存儲中的應用

(a) 熒光粉體與硅膠混合、成型并固化后獲得粉體薄膜；

(b) 激光刻錄機寫入預存儲信息；

(c) 高溫熱激活讀取信息；

(d) 柔性薄膜應用于曲面；

(e) 近紅外光激勵讀取信息。

圖2?多色熒光粉體薄膜及發光光譜

(a) 自然光下的粉體薄膜照片；

(b) 紫外光下的粉體薄膜照片；

(c) 紫外光下的發光光譜。

圖3 基于高溫熱激活方式讀取被寫入的圖像信息

(a-d) 通過材料組成調控讀取信號的發光顏色；

(e) 通過刻錄光強調控讀取信號的發光強度；

(f) 同一基板上復合多色發光。

圖4?柔性薄膜應用于曲面時的信息讀取

(a) 預刻錄的圖像；

(b-c) 刻錄圖像并注入150oC硅油后，在自然光和黑暗環境中的照片。

圖5?基于近紅外光激勵方式逐點讀取被寫入的信息

(a) 預刻錄的二維碼圖像；

(b) 980nm激光逐點掃描瞬間；

(c) 拼合b獲得的信息；

(d) 熱激活全域讀取。

圖6?陷阱分布及光學信息存儲的機理

(a-c) 估算SSON:Eu,Dy樣品的陷阱分布；

(d) 深陷阱長余輝材料應用于光學信息存儲的機理。

圖7?光學信息存儲的重復性測試

(a-b) 實際溫度曲線和熱釋發光曲線；

(c) 讀取信號的強度與循環次數的關系。

圖8?刻錄信號持久度測試

(a-b) 實際溫度曲線和熱釋發光曲線；

(c) 讀取信號的強度與信號存儲時間的關系。

【小結】

本文報道了一種基于深陷阱長余輝發光材料的新型光學信息存儲及信息讀取方式。通過405 nm激光將信息逐點刻錄于柔性粉體薄膜上，由于陷阱較深，所刻錄的信息在室溫被凍結；而通過加熱到較高溫度或者通過980 nm近紅外激光照射，可讀出預刻錄的信息。讀取過程伴隨光子的發射，發光的波長和強度可以通過成分和刻錄光強進行調控。

傳統的相變型或磁光型光學信息存儲介質是基于基板對入射光反射或偏振的差異而識別預存儲信息。本文所報道的信息讀取方式是利用刻錄點對光子的選擇性釋放，由于光子發射包含特定的光學信息，以深陷阱長余輝發光材料作為存儲介質有望研發出新一代具有超高存儲容量的多維光學信息存儲系統。

文獻鏈接: Optical data storage and multicolor emission readout in flexible films using deep-trap persistent luminescence materials?(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201705769)

【相關工作鏈接】

與上述工作相關的另一項研究中，研究團隊系統報道了在長余輝發光材料體系SrSi₂O₂N₂:Ln²⁺,Ln³⁺中以稀土離子共摻雜的方式進行陷阱深度調控的思路，討論了不同陷阱深度對于信息存儲能力的影響。這項研究不僅對于設計不同陷阱深度的長余輝發光材料具有重要啟示意義，而且展示了深陷阱長余輝發光材料在信息防偽和新型顯示等新興領域的應用潛力。該工作以“Trap depth engineering of SrSi₂O₂N₂:Ln²⁺,Ln³⁺ (Ln²⁺ = Yb, Eu; Ln³⁺ = Dy, Ho, Er) persistent luminescence materials for information storage applications”為題于2017年12月26日在線發表在ACS Applied Materials & Interfaces上，論文第一作者為莊逸熙博士。

文獻鏈接：Trap depth engineering of SrSi₂O₂N₂:Ln²⁺,Ln³⁺ (Ln²⁺ = Yb, Eu; Ln³⁺ = Dy, Ho, Er) persistent luminescence materials for information storage applications?(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b17271)

此外，研究團隊2017年12月20日在ACS Applied Materials & Interfaces上在線發表了題為“Achieving multicolor long-lived luminescence in dye-encapsulated metal-organic frameworks and its application to anticounterfeiting stamps”的文章。該工作闡述了在金屬有機框架材料的周期性孔道中引入特定染料分子，通過主客體之間高效的能量傳遞效應獲得多色室溫長壽命發光的新思路。多色室溫長壽命發光材料的制備對于實現大容量信息存儲和高等級信息防偽具有重要價值。該論文第一作者為課題組碩士研究生劉劍斌。

文獻鏈接：Achieving multicolor long-lived luminescence in dye-encapsulated metal-organic frameworks and its application to anticounterfeiting stamps (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b13486)

本文由廈門大學解榮軍教授課題組供稿。

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