新型納米顆粒薄膜：將用於高容量全息數據存儲！
背景
在這個信息大爆炸的時代，我們生成和接觸到的數據量越來越多。因此，存儲器件越來越受到科學界的重視。存儲器件正朝著快速、耐用、柔性、節能、高效、高密度、隨著時間推移能保持穩定等目標發展。
之前，筆者介紹過多項有關存儲技術的科研創新成果，帶大家簡單回顧一下，以便大家對於儲存器件的發展趨勢有一個具體的認識。
1）IBM研究院開發的新型相變存儲器(PCM)，讓每個存儲單元的數據容量增至三倍，未來有望提供超快速，低成本的數據存儲解決方案。
（圖片來源：IBM研究院）
2）法國斯特拉斯堡大學等科研機構合作開發的由有機納米材料組成的柔性、非易失的光學存儲薄膜晶體管設備，成為可穿戴電子領域的又一項重大突破。
（圖片來源: Paolo Samori/CNRS）
3）瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家開發出一種鈣鈦礦材料，為新一代磁光數據存儲設備的開發奠定了基礎，這種存儲設備結合了磁性存儲的長期穩定性、高數據密度、非易失性操作、可重寫性，以及光學存儲讀寫速度快的優勢。
（圖片來源：László Forró/瑞士洛桑聯邦理工學院 ）
4）美國杜克大學首次完全採用噴墨列印的方式，通過納米油墨製造出柔性憶阻器存儲設備，有望應用於柔性電子設備包括RFID、環境感測器等領域。
（圖片來源：杜克大學 ）
5）新加坡國立大學的科研人員發明了一種新型超薄多層膜，能夠有效利用一種手型自旋結構單元：斯格明子，進行信息存儲。它有望成為構建未來高密度、高速度、低能耗磁信息存儲器件的理想候選材料。
（圖片來源：Siew Shawn Yohanes / 新加坡國立大學）
創新
同樣是關於存儲技術，今天筆者要為大家介紹一項來自中國東北師範大學的創新成果。它是一種基於納米顆粒的新型薄膜，比人類頭髮絲細80倍。10厘米乘以10厘米的薄膜片可以全息存儲的數據比DVD多1000倍。
（圖片來源：東北師範大學）
中國東北師範大學付申成副教授領導的科研團隊開發出這種新型薄膜。他表示：「未來，這些新型薄膜將集成到記錄三維色彩信息的微型存儲晶元中，之後這些三維色彩信息可作為具有現實細節的三維全息圖來觀看。因為存儲介質在環境中是穩定的，所以該設備可用於戶外或者甚至帶進惡劣輻射條件的外太空。」
研究人員在《Optical Materials Express》上詳細描述了他們是如何製造這種新型薄膜的，並展示了這項技術能用於在環境中穩定的全息存儲系統。
技術
這種薄膜是為了全息數據存儲而設計的，全息數據存儲技術採用激光創造和讀取材料中三維全息重構的數據。因為全息數據存儲可以一次記錄和讀取幾百萬個比特，所以它比當今數據存儲所用的光學方案和磁方案（一次只能記錄和讀取個別的比特）更快。全息方案也具有高密度的天性，因為它們記錄遍布材料三維體積的信息，而不只是表面的信息，並且可以使用不同角度或者不同種顏色組成的光線，記錄同一個區域的多幅圖像。
近來，科研人員一直在採用金屬半導體納米複合材料作為存儲高空間解析度的納米級全息圖像的介質。由二氧化鈦半導體和銀納米顆粒組成的多孔膜非常適合這種應用，原因是它們遭受各種波長或顏色的激光照射時會改變顏色，而且採用單個步驟就可以在激光束聚焦的區域記錄下一組三維圖像。雖然可以用於多波長的全息數據存儲，但是紫外線照射後會擦除數據，對於長期的信息存儲來說，這種薄膜是不穩定的。
將全息圖像記錄到二氧化鈦-銀薄膜中的步驟包括採用激光將銀顆粒轉化為銀正離子（由於失去電子而帶正電）。付申成副教授表示：「我們注意到，紫外線能擦除數據，因為它引起電子從半導體薄膜轉移到金屬納米顆粒，引起與激光一樣的光轉化。將接收電子的（electron-accepting ）分子引入到系統中，引發電子從半導體流向這些分子，降低了紫外線的數據擦除能力，從而製造出一種在環境中穩定的高密度數據存儲介質。」
對於新型薄膜來說，研究人員採用接收電子的分子（測量值只有1納米到2納米），阻止電子從半導體流向金屬納米粒子。他們製造出具有蜂窩納米孔結構的半導體薄膜，使得納米顆粒、接收電子的分子、半導體相互聯繫。接收電子的分子具有超小的尺寸，使得它們能夠依附於孔的內部，而不影響孔的結構。生成薄膜的厚度僅為620納米。
研究人員測試了他們的新型薄膜，並發現全息圖像甚至可以在紫外線照射的情況下，高效且穩定地寫入到薄膜中。研究人員也展示了採用電子受體改變電子流動，形成多個電子傳輸路徑，使得材料更快速地響應激光，極大地加快數據寫入速度。
付申成副教授說：「由貴金屬例如銀製成的顆粒，通常被視為用於光學存儲的慢速響應介質。我們展示了，採用新型電子傳輸流改善這些粒子的光學響應速度，同時仍然保持住粒子有利於信息存儲的其他優勢。」
價值
這種薄膜不僅可以容納大量數據，而且也能以高達每秒1GB的速度檢索數據，是如今快閃記憶體讀取速度的20倍。有朝一日，這項新技術將帶來微型可穿戴設備，捕捉和存儲人或物的三維圖像。
未來
研究人員計劃通過戶外測試，驗證新型薄膜在環境中穩定性。他們也指出，這種薄膜在現實世界中的應用需要開發高效的三維圖像重構技術和方法，用於顯示器的色彩呈現或者讀取存儲的數據。
關鍵字
半導體、存儲技術、全息技術
參考資料
【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/researchers_develop_nanoparticle_films_for_high-de/
【2】Shuangyan Liu, Shencheng Fu, Xintong Zhang, Xinnong Wang, Lihong Kang, Xiuxiu Han, Xi Chen, Jiarui Wu, Yichun Liu.UV-resistant holographic data storage in noble-metal/semiconductor nanocomposite films with electron-acceptors. Optical Materials Express, 2018; 8 (5): 1143 DOI: 10.1364/OME.8.001143
※新研究有助於改善二維材料性能
※二硫化鉬納米機電系統：超薄、超小、超低功耗！
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