專(zhuān)利名稱(chēng)：改變光學(xué)性質(zhì)的方法、光器件、信息記錄介質(zhì)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改變或選擇一個(gè)物體光學(xué)性質(zhì)的方法以及該方法的各種應(yīng)用，如，光器件、信息記錄介質(zhì)的控制和記錄、擦除與再生信息的方法和裝置。
一種提供高密光記錄的技術(shù)是美國(guó)專(zhuān)利第4101976號(hào)中所述的“光化學(xué)燒孔”(以下稱(chēng)PHB)方法，其中利用了有機(jī)顏料化合物電子系統(tǒng)的光躍遷級(jí)以及吸收帶的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)多重記錄。
通常在PHB中采用的材料有醌茜、酞菁(pthalocyanine)、卟啉等，作為分布在介質(zhì)結(jié)構(gòu)里透明主材料中的客體材料，這些材料必須在液擬的溫度下冷卻以作為PHB光記錄介質(zhì)。另外，在采用PHB進(jìn)行光記錄時(shí)，用來(lái)讀出吸收孔的光對(duì)顏料本身有一種漂白作用，因而減少信息可被讀出的次數(shù)。
在“固態(tài)通訊(SolidStateCommunication)”第56卷、第921頁(yè)(1985)中描述了對(duì)具有半導(dǎo)體微粒的玻璃的物理學(xué)研究。
在“OyoButsuri”(日本)第55卷3期第325-335(1990)中描述了半導(dǎo)體微粒的光學(xué)非線(xiàn)性響應(yīng)。
這兩篇文章都沒(méi)有描述這種半導(dǎo)體微粒的相變效應(yīng)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種適合在室溫下記錄和再生信息的高記錄密度介質(zhì)，以及有關(guān)的方法和裝置。
更一般地，本發(fā)明的目的是提供改變一個(gè)物體光學(xué)性質(zhì)的新方法和器件。
最廣泛地說(shuō)，本發(fā)明提供一種改變一個(gè)物體光學(xué)性質(zhì)的方法。這個(gè)物體具有分布在基質(zhì)內(nèi)的半導(dǎo)體微粒。此方法包括對(duì)所述物體施以改變所述微粒晶態(tài)部分區(qū)域的能量，令此部分區(qū)域的尺寸呈現(xiàn)量子晶粒尺寸效應(yīng)的步驟。由于這種量子晶粒尺寸效應(yīng)(下面還將解釋)，光性質(zhì)(特別是光吸收譜決定于微粒晶態(tài)區(qū)域的尺寸的性質(zhì))還依賴(lài)于微粒的粒度分布。本發(fā)明利用了在這樣的粒子集合中發(fā)現(xiàn)的粒度分布。
因此，本發(fā)明還能提供一種控制光器件(如用于信息存貯的光器件)的方法。此器件有一種包含散布在基質(zhì)中半導(dǎo)體微粒的物體，微粒由在此器件的工作溫度下能以非晶態(tài)和晶態(tài)兩種形式存在的物質(zhì)制成。通過(guò)對(duì)此物體施以能量以改變微粒非晶態(tài)和晶態(tài)區(qū)域相對(duì)量之比、且使晶態(tài)區(qū)域的尺寸呈現(xiàn)量子晶粒尺寸效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種控制。
進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)存貯方法，它包括根據(jù)要存貯的數(shù)據(jù)改變物體光學(xué)性質(zhì)的步驟，所述物體具有散布在基質(zhì)中的半導(dǎo)體微粒。改變光學(xué)性質(zhì)的步驟通過(guò)用光能照射該物體，改變半導(dǎo)體粒子內(nèi)晶態(tài)部分的區(qū)域因而使其尺寸呈現(xiàn)量子晶粒尺寸效應(yīng)來(lái)完成。初始或擦除狀態(tài)可以是不存在晶態(tài)部分區(qū)域的情形。
本發(fā)明還提供一種數(shù)據(jù)存貯方法，它包括根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)選擇記錄材料的光吸收頻譜，所述的記錄材料其吸收頻譜通過(guò)控制嵌在基質(zhì)中的半導(dǎo)體微粒的光基本吸收能來(lái)改變。
本發(fā)明不限于信息記錄。更廣泛地，它提供了一種光器件，包括(a)其光學(xué)性質(zhì)可變的物體，此物體具有散布在基質(zhì)中的半導(dǎo)體材料微粒，此微?？梢砸环N其中含有半導(dǎo)體材料晶態(tài)部分區(qū)域的狀態(tài)存在，并使晶態(tài)區(qū)域的尺寸呈現(xiàn)量子晶粒尺寸效應(yīng)。
(b)用來(lái)對(duì)粒子施加能量以改變晶態(tài)部分區(qū)域尺寸的裝置。
本發(fā)明提供一種其光學(xué)性質(zhì)可控的光器件，包括(a)其光學(xué)性質(zhì)可變的物體，此物體具有散布在基質(zhì)中的半導(dǎo)體微粒，微粒材料可以晶態(tài)和非晶態(tài)兩種形式存在。
(b)控制此物體光學(xué)性質(zhì)的方法，它包括用來(lái)對(duì)所述物體施以能量，強(qiáng)度足以改變非晶態(tài)和晶態(tài)微粒區(qū)域相對(duì)量之比，并使晶態(tài)區(qū)域呈現(xiàn)量子晶粒尺寸效應(yīng)的裝置。
本發(fā)明之記錄介質(zhì)包括在一襯底上的記錄層，其特征為記錄層的基質(zhì)材料中散布有呈一定粒度分布的、可呈現(xiàn)量小晶粒尺寸效應(yīng)的半導(dǎo)體微粒。這里的襯底只要能夠維持在其上形成的基質(zhì)材料就足夠了，并且對(duì)所用光的透射與否可根據(jù)所用方式進(jìn)行相應(yīng)的選擇。例如，襯底可以是反射的。
基質(zhì)一般是介電的，并可透射用來(lái)記錄、擦除和再生信息的光。例如基質(zhì)可以是玻璃態(tài)的或晶態(tài)的。
粒子的粒度分布最好是一種可計(jì)算其統(tǒng)計(jì)平均值的分布，如高斯分布，羅侖茲(Lorentz)分布或任何其它合適的分布。粒子光吸收譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)來(lái)自對(duì)諸如高斯分布的偏差。粒子最好均勻散布在基質(zhì)中。
基質(zhì)層的厚度不很重要，少于10um就合適了。厚度取決于制造過(guò)程的要求。
另外，本發(fā)明的記錄介質(zhì)包括在一襯底上的記錄層，此記錄層的特征為它由一種非晶態(tài)基質(zhì)制成，在此基質(zhì)內(nèi)部散布著其光基本吸收能可被控制的半導(dǎo)體微粒。記錄層的膜厚可被適當(dāng)?shù)貎?yōu)化，使得用來(lái)來(lái)鍬肌(25)再生和擦除信息的光在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生可被利用的光干涉，且這一光干涉的最佳范圍取決于此器件或所用裝置的用法，因此可被適當(dāng)?shù)剡x擇。
另外，本發(fā)明的記錄介質(zhì)包括在一襯底上的記錄層，此記錄層的特征為它最好由一種在其內(nèi)部散布著微粒的非晶態(tài)基質(zhì)(基礎(chǔ)材料)制成?；|(zhì)材料是一種其能帶隙寬于粒子半導(dǎo)體材料的物質(zhì)，即其電子親合能比粒子的要小。至于粒子的尺寸，其最好小于3至2倍的有效玻爾半徑，并且具有如此半徑的粒子最好高于粒子總數(shù)的80%或更好地高于90%。但是，既使是這種關(guān)系也可根據(jù)對(duì)器件的不同用法優(yōu)化。進(jìn)一步地，粒子的尺寸最好大于微晶形成的核的典型尺寸。
半導(dǎo)體微粒的平均尺寸最好不大于10nm。以nm表示的粒子的粒度分布(σ)最好為0.5≤σ≤3。更好為1≤σ≤2。合適的半導(dǎo)體材料粒子可被光能在非晶態(tài)和包含有部分晶態(tài)區(qū)域的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
半導(dǎo)體微粒最好由鍺、硅、碲或硒制成，基質(zhì)可以是非晶介電材料，最好是二氧化硅或氧化鍺。其它可用材料將在下面討論?；|(zhì)材料對(duì)所述半導(dǎo)體材料的固體溶解性最好不超過(guò)5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)。
所述基質(zhì)中的粒子體積最好在基質(zhì)總體積的10到60%之間。
進(jìn)一步地，本發(fā)明可提供一種包含介電材料膜的記錄介質(zhì)，此膜在一襯底上形成且含有呈一定粒度分布的半導(dǎo)體微粒。由外部施加能量而在半導(dǎo)體極細(xì)微粒內(nèi)部形成的晶態(tài)部分半徑可變到比在此半導(dǎo)體粒子內(nèi)生成的激發(fā)子的有效玻爾半徑還小，因而記錄信息。
本發(fā)明用來(lái)改變微粒狀態(tài)的能量可以是，例如，光(包含紅外輻射)、電能、磁能、壓力等。最好用一種染料激光器，其能量密度足以使半導(dǎo)體粒子產(chǎn)生相變。也可以用諸如Nd/YAG(摻釹釔鋁石榴石)激光器或氮?dú)怏w激光器之類(lèi)更高能量的激光器。例如，采用激光時(shí)，能量(焦耳)由功率(瓦特)與持續(xù)時(shí)間(秒)之積來(lái)確定，記錄能量最好大于再生能量，擦除能量最好大于記錄能量。
根據(jù)本發(fā)明的一種記錄信息的方法包括步驟(a)把第一能量施于包含基質(zhì)的記錄層，此基質(zhì)內(nèi)散布有能以非晶態(tài)和晶態(tài)形式存在的半導(dǎo)體微粒，使得所述粒子變成所述非晶態(tài)狀態(tài);和(b)通過(guò)至少施加一次比所述第一能量小的第二能量，在所述粒子內(nèi)部形成呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的所述晶態(tài)的區(qū)域，并依所要記錄的信息對(duì)所述第二能量的所述施加加以控制。
根據(jù)本發(fā)明記錄信息的另一種方法包括對(duì)其內(nèi)散布有非晶態(tài)半導(dǎo)體微粒的介電基質(zhì)材料的記錄層至少施加一次能量以在所述粒子內(nèi)部形成呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的晶態(tài)區(qū)域，所述能量應(yīng)大于所述粒子的光基本吸收能，對(duì)所述能量的所述施加的控制依賴(lài)于要存貯的信息。
根據(jù)本發(fā)明的另一種方法是往在襯底上形成的記錄層的記錄介質(zhì)里記錄信息，所述記錄層的基質(zhì)內(nèi)散布有具有一定半徑分布的半導(dǎo)體微粒，此方法包括(a)通過(guò)施加能量使所述粒子熔化為非晶態(tài);(b)其次施加能量使所述粒子的核心部分為晶態(tài)因而形成呈量子晶粒尺寸效應(yīng)和以一定半徑分布的晶態(tài)區(qū)域。根據(jù)要存貯的信息執(zhí)行所述步驟(b)可改變所述晶態(tài)區(qū)域的光基本吸收能，使得所記錄的信息至少與一種在此粒子的光吸收譜中出現(xiàn)的吸收波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)。
本發(fā)明還提供了一種擦除記錄在一種記錄介質(zhì)里的信息的方法，此記錄介質(zhì)具有一襯底上形成的記錄層且包含其內(nèi)散布有具有一定半徑分布的半導(dǎo)體微粒的基質(zhì)，此微粒具有晶態(tài)的且呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的核心區(qū)域因而存貯有被記錄的信息，所述擦除方法包括施加能量把所述粒子轉(zhuǎn)換成非晶態(tài)因而擦除所述被記錄的信息。
本發(fā)明還提供了一種再生記錄在一種記錄介質(zhì)里的信息的方法，此記錄介質(zhì)具有在一襯底上形成的記錄層且包含其內(nèi)散布有具有一定半徑分布的半導(dǎo)體微粒的基質(zhì)，此微粒具有晶態(tài)的且呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的核心區(qū)域因而存貯有被記錄的信息，所述再生方法包括測(cè)出在選自所述記錄層反射、透射和吸收光譜中里的一種光譜中出現(xiàn)的至少一個(gè)吸收波長(zhǎng)。
本發(fā)明還提供了一種把信息記錄在一種光記錄介質(zhì)里的方法，此介質(zhì)具有在一襯底上形成的記錄層，所述記錄層包含有一種基質(zhì)，在此基質(zhì)內(nèi)散布有半導(dǎo)體材料微粒，此微粒的直徑大于所述半導(dǎo)體材料的有效玻爾半徑且具有一定粒度分布。所述記錄方法包括對(duì)所述記錄層施加能量使得所述粒子內(nèi)的晶態(tài)部分區(qū)域的直徑變得比所述有效玻爾半徑小以改變對(duì)應(yīng)于所述晶態(tài)部分半徑的光基本吸收能，這樣被記錄的信息因而與所述層的吸收譜中出現(xiàn)的至少一種吸收波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一種方法包括擦除記錄在一種在襯底上形成的記錄層的光記錄介質(zhì)里的信息，所述層包括一種基質(zhì)且在此基質(zhì)內(nèi)散布有半導(dǎo)體材料的微粒，此微粒的直徑大于所述半導(dǎo)體材料的有效玻爾半徑且具有一定粒度分布，在所述微粒內(nèi)晶態(tài)部分的直徑因比所述有效玻爾半徑小而存貯信息，擦除步驟包括施加能量使得所述晶態(tài)部分的直徑大于所述有效玻爾半徑，因而擦除了記錄的信息。
本發(fā)明還提供了一種再生記錄在一種含有襯底上形成的記錄層的光記錄介質(zhì)里的信息的方法，所述層包括有一種基質(zhì)且在此基質(zhì)內(nèi)散布有半導(dǎo)體材料的微粒，此微粒的直徑大于所述半導(dǎo)體材料的有效玻爾半徑且具一定粒度分布，所述粒子內(nèi)晶態(tài)部分的直徑因比所述有效玻爾半徑小而存貯信息，所述再生方法包括對(duì)所述記錄層施加輻射以探測(cè)在選自所述記錄層反射、透射和吸收光譜里的一種光譜內(nèi)出現(xiàn)的至少一種吸收波長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的一種記錄和再生信息的方法利用了光子回波效應(yīng)。在這方面，本發(fā)明提供了一種在一種含有襯底上形成的記錄層的記錄介質(zhì)里記錄和再生信息的方法，此記錄介質(zhì)具有一種在其間散布有具有一定半徑分布的半導(dǎo)體微粒的基質(zhì)，所述記錄是這樣進(jìn)行的，通過(guò)施加至少一次激光脈沖使得所述粒子熔化成非晶態(tài)因而初始化此記錄介質(zhì)，其后施加至少一次激光脈沖把所述粒子的核心部分變成晶態(tài)而形成呈量子晶粒尺寸效應(yīng)且具有一定半徑分布的晶態(tài)區(qū)域，因此通過(guò)改變粒子的三階偏振(取決于所述晶態(tài)區(qū)域的半徑)來(lái)記錄信息;所述再生是這樣進(jìn)行的，通過(guò)向所述記錄層在時(shí)刻t1，t2和t3(t1＜t2＜t3)施加第一，第二和第三激發(fā)脈沖，因而通過(guò)所述第一到第三激發(fā)脈沖同時(shí)有效地生成所述晶態(tài)區(qū)域的偏振，然后在時(shí)刻t4(t4＞t3，t4-t3＝t2-t1)施加第四激發(fā)脈沖并通過(guò)探測(cè)所述第四激發(fā)脈沖透射率的變化來(lái)再生所述信息。
在另一方面，本發(fā)明提供的信息記錄和再生裝置包括(a)一種包含一種在襯底上形成的基質(zhì)且在此基質(zhì)內(nèi)散布有半導(dǎo)體微粒的光記錄介質(zhì)，(b)用光照射所述記錄介質(zhì)的輻照裝置，它在所述記錄介質(zhì)中至少執(zhí)行記錄、再生和擦除信息操作中的一種操作，(c)位于所述光記錄介質(zhì)與所述照射裝置之間、放大來(lái)自所述光記錄介質(zhì)之光的光譜變化的裝置，(d)用來(lái)探測(cè)來(lái)自所述放大裝置的光之強(qiáng)度的探測(cè)裝置。這里，放大裝置在被用來(lái)再生信息時(shí)特別有用，且適于放大波長(zhǎng)吸收譜的變化。最好利用光的透射或反射。
本發(fā)明還提供一種信息記錄和再生裝置，包括(a)一種包含一種在襯底上形成之基質(zhì)且在此基質(zhì)內(nèi)散布有半導(dǎo)體微粒的記錄介質(zhì);
(b)一種Fabry-Perot光諧振器，在所述光記錄介質(zhì)的信息記錄、再生和擦除操作中，至少有兩面鏡子在其中至少一種操作光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是部分透射的。所述光記錄介質(zhì)位于所述這兩面鏡子之間;
(c)透射和聚焦所述光到所述光記錄介質(zhì)上的光學(xué)頭，(d)探測(cè)來(lái)自所述記錄介質(zhì)在所述波長(zhǎng)范圍傳輸?shù)脑偕獾膹?qiáng)度的探測(cè)器;探測(cè)來(lái)自所述記錄介質(zhì)的再生光之瞬間變化的探測(cè)器。
本發(fā)明還提供一種信息記錄和再生裝置，包括(a)一種包含一種在襯底上形成之基質(zhì)且在此基質(zhì)內(nèi)散布有半導(dǎo)體微粒的記錄介質(zhì)，(b)一種由一個(gè)部分透射鏡和第一全反射鏡，第二全反射鏡和第三全反射鏡組成的環(huán)形諧振器，其中部分透射鏡如此定位使其接收來(lái)自所述第一全反射鏡之光，且與第一反射鏡分置于所述光記錄介質(zhì)的相對(duì)兩側(cè);第三反射鏡如此定位使之接收來(lái)自所述第二反射鏡之光并把此光導(dǎo)向所述部分透射鏡，(c)透射和聚焦光到所述光記錄介質(zhì)的光學(xué)頭，(d)探測(cè)來(lái)自所述記錄介質(zhì)的再生光之強(qiáng)度的探測(cè)器;探測(cè)來(lái)自所述記錄介質(zhì)之再生光的瞬間變化的探測(cè)器。
諧振器是一種干涉儀，起光放大器的作用。更具體地，這個(gè)環(huán)形諧振器可包含計(jì)算功能。
本發(fā)明還在于一個(gè)記錄信息的裝置，包括(a)一種包含一襯底及其上的記錄層的記錄介質(zhì)，所述記錄層具有一種基質(zhì)并在所述基質(zhì)中散布有一種半導(dǎo)體材料的微粒，所述微?？梢砸环N包含所述半導(dǎo)體材料的晶態(tài)區(qū)域狀態(tài)存在，其大小呈量子晶粒尺寸效應(yīng)。
(b)用光來(lái)可控制地照射所述記錄介質(zhì)的方法，其光強(qiáng)足以在所述粒子中至少引起所述晶態(tài)區(qū)域的構(gòu)造或變化，因而在所述記錄介質(zhì)中記錄信息，此裝置還可具有再生所記錄信息的方法，它包含用來(lái)探測(cè)至少一種所述記錄介質(zhì)之光吸收波長(zhǎng)的方法。
除了記錄信息之外，本發(fā)明還可應(yīng)用于其它諸如濾波器、顯示器件、光開(kāi)關(guān)、固態(tài)激光器、光調(diào)制器、壓力傳感器、光發(fā)射器件、非線(xiàn)性光學(xué)器件，光運(yùn)算器件等的光器件。本發(fā)明可有效地控制此類(lèi)器件的光學(xué)性質(zhì)。
現(xiàn)在將參照附圖舉一些非限制性的例子來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施，其中，

圖1A示出了實(shí)施本發(fā)明的一種光記錄介質(zhì)之結(jié)構(gòu)，圖1B是圖1A的A部之放大圖;
圖2A示出了本發(fā)明的一種記錄介質(zhì)之透射光譜，圖2B是圖2A的A部之放大圖;
圖3A、3B和3C是解釋本發(fā)明的一種實(shí)施例中記錄和擦除過(guò)程的示意圖;
圖4A、4B、4C和4D是解釋擦除狀態(tài)的示意圖，圖4A和4C圖示了基質(zhì)中的半導(dǎo)體粒子，圖4B和圖4D圖示了相應(yīng)的吸收譜(箭頭所指為有效玻爾半徑);
圖5A、5B、5C和5D是解釋記錄狀態(tài)的示意圖，圖5A和5C圖示了基質(zhì)中的半導(dǎo)體微粒，圖5B和5D圖示了相應(yīng)的吸收譜;
圖6示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例之光發(fā)射特征圖7示出實(shí)施本發(fā)明的信息記錄和再生裝置;
圖8示出另一實(shí)施本發(fā)明的信息記錄和再生裝置;
圖9示出第三個(gè)實(shí)施本發(fā)明的信息記錄和再生裝置。
圖1所示的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明記錄介質(zhì)的一種基本結(jié)構(gòu)由在襯底11上形成的摻雜半導(dǎo)體的玻璃12組成，所述摻雜半導(dǎo)體的玻璃12包含半導(dǎo)體特細(xì)微粒13(這里也稱(chēng)“特細(xì)”)，嵌在一種介電材料或玻璃(玻璃狀態(tài)下)14中，此玻璃的能帶隙比特細(xì)粒子的能帶隙要寬。
量子晶粒尺寸效應(yīng)出現(xiàn)時(shí)的半導(dǎo)體晶態(tài)區(qū)域之半徑比通過(guò)激光照射而在特細(xì)粒子內(nèi)形成的激發(fā)子之有效玻爾半徑小，激光的能量比采用的特細(xì)半導(dǎo)體粒子之光基本吸收能Eg大。
玻爾半徑a由下面方程給出a＝(n/2πe)2ε(1/me+1/mh) 式1其中，h是晶體的Planck常數(shù)，e是電荷，ε是光介電常數(shù)，me是電子的有效質(zhì)量，mh是空穴的有效質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明采用的特細(xì)粒子狀態(tài)可用一個(gè)透射電子顯微鏡觀(guān)察到，也可用同樣方法確定基質(zhì)內(nèi)特細(xì)粒子的分布狀態(tài)。
本發(fā)明是基于這一發(fā)現(xiàn)在室溫下極小的鍺特細(xì)晶體發(fā)射從黃綠到紅色波長(zhǎng)范圍的光(室溫可見(jiàn)光)。
電子的世界由量子力學(xué)法則主宰。根據(jù)這些法則，在晶體小于大約10nm(即，量子尺寸)的情形下，可能觀(guān)察到正常晶體塊下無(wú)法看到的不同特征或新現(xiàn)象。
在本文中，本發(fā)明的發(fā)明者試用了一種利用特細(xì)晶體的分離現(xiàn)象制備三維量子阱(電子被圈在一非常小區(qū)域內(nèi)的狀態(tài))的新方法。
例如，在制備過(guò)程中，鍺和二氧化硅在氬氣環(huán)境中同時(shí)射頻濺射，因而產(chǎn)生一種非晶二氧化硅和非晶鍺固溶體狀態(tài)。進(jìn)行熱處理后，可在非晶二氧化硅中無(wú)缺陷地析出特細(xì)的鍺晶。通過(guò)一個(gè)超高分辨率的電子顯微鏡觀(guān)察可以了解，在非晶二氧化硅的介電材料中嵌有直徑小于10nm的球狀且完全晶態(tài)的鍺粒子。這可稱(chēng)為通過(guò)自然分離現(xiàn)象制備的三維量子阱。
鍺像硅一樣屬Ⅳ族元素，是一種不發(fā)光的間接帶隙的半導(dǎo)體。但是，在光致發(fā)光測(cè)量(光激發(fā)而產(chǎn)生光)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)無(wú)缺陷地嵌入在一種二氧化硅介電材料中的這種半導(dǎo)體特細(xì)晶體在室溫下在560到600nm(對(duì)應(yīng)于黃綠到紅色)波長(zhǎng)范圍內(nèi)強(qiáng)烈地發(fā)光。還觀(guān)察到光發(fā)射的峰值波長(zhǎng)隨特細(xì)鍺晶體的直徑變化。從這種根據(jù)常識(shí)不可想象的光發(fā)射現(xiàn)象中，可以確定在二氧化硅內(nèi)析出的特細(xì)鍺晶體足以作為一種三維量子阱。
特細(xì)鍺晶體的光發(fā)射現(xiàn)象可被認(rèn)為是由三維量子效應(yīng)產(chǎn)生的一種新現(xiàn)象。在這種三維量子系統(tǒng)中，存在發(fā)現(xiàn)與常規(guī)塊狀晶體不同的至今未知的新現(xiàn)象的可能性，且被認(rèn)為是掌握基于新原理之量子器件的關(guān)鍵。
在特細(xì)鍺晶體中，由于鍺的電子特征(如電子能量，有效質(zhì)量等)，可產(chǎn)生其波長(zhǎng)比硅的要短的發(fā)射光。另外，由于其電子遷移率比硅的要高等鍺量子系統(tǒng)的特性，可以說(shuō)鍺是一種更有前途的量子器件材料。
以下逐步說(shuō)明本發(fā)明的工作原理。
下面解釋圖1的半導(dǎo)體摻雜玻璃12的量子晶粒尺寸效應(yīng)。當(dāng)介電材料或玻璃14生成的熱能是無(wú)限時(shí)，嵌入的半導(dǎo)體特細(xì)粒子13的電子態(tài)可被認(rèn)為是三維量子受限。如果我們假設(shè)嵌入的特細(xì)粒子平均是球形的，那么電子能級(jí)E由以下方程給出E(1，n)＝Eg+h2/8π2μR2)φ(1，n)2式2這里，Eg是塊狀晶體的能帶隙，R是特細(xì)粒子的半徑，h是Planck常數(shù)，μ是是等價(jià)質(zhì)量(1/μ＝1/me+1/me，其中me是電子的有效質(zhì)量，mh是空穴的有效質(zhì)量)、φ(1，n)是Bessel函數(shù)的本征值，且最低狀態(tài)本征值φ(0，1)是π。
從這個(gè)方程可知，隨著特細(xì)粒子的半徑R變小，最小能級(jí)向高能方向移動(dòng)。當(dāng)能量大于對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體能帶隙之能量的光束撞擊半導(dǎo)體時(shí)，價(jià)電子帶中能量最高的電子受激而生成一個(gè)激發(fā)子(它是一對(duì)受激電子和相應(yīng)空穴)。這一激發(fā)子由于平移對(duì)稱(chēng)在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)可自由移動(dòng)。這可根據(jù)波函數(shù)w(k，t)＝u(k)exp(-ikp-iwt)和Block函數(shù)U(K)的展開(kāi)特征得到。這種激發(fā)子被稱(chēng)為Wannier激發(fā)子。激發(fā)子的生成和消亡取決于發(fā)生能級(jí)躍遷的電子能級(jí)間的偶極矩。躍遷的偶極矩由下面方程給出。
Pn=1/π(2R/a)32/n μ (c,v),(n=1,2…) 式3]]>這里，μ(C，V)是帶間的躍遷偶極矩，n是主量子數(shù)，a是此激發(fā)子的有效玻爾半徑。從這個(gè)方程可以看出，從最小能級(jí)狀態(tài)到第一受激狀態(tài)(n＝1→2)的躍遷偶極矩的變化很大。進(jìn)一步地還看到，躍遷強(qiáng)度隨著直徑與有效玻爾半徑之比(2R/a)變大而變大。因此，光吸收過(guò)程基本上由從方程2中最小能級(jí)E(0，1)到第一激發(fā)態(tài)E(0，2;1，2;-1，2)之躍遷來(lái)確定。由于E(0，1)隨特細(xì)粒子的半徑變小而變大，光基本吸收能朝短波方向移動(dòng)。這就是所謂的藍(lán)移。從上述理論原理可看出，如果特細(xì)粒子的半徑被控制在出現(xiàn)量子晶粒尺寸效應(yīng)的范圍內(nèi)，那么可能自由地改變此半導(dǎo)體特細(xì)粒子的光基本吸收能。
本發(fā)明的記錄原理包括對(duì)相應(yīng)于光吸收譜波長(zhǎng)離差之信息的波長(zhǎng)多重記錄。盡管將在以后解釋玻璃基質(zhì)內(nèi)半導(dǎo)體特細(xì)粒子之半徑分布的控制原理，但是如果我們假設(shè)特細(xì)粒子直徑呈高斯分布，那么半徑出現(xiàn)率的分布可由下述方程表示
μ(R,σ)=1/2π σ exp -(R-Rav)2/2σ2) 式4]]>這里，Rav是平均半徑，σ是半徑離差。因此，特細(xì)粒子的半徑分布在吸收譜中被反應(yīng)出來(lái)。介質(zhì)的吸收能將以對(duì)應(yīng)于平均半徑Rav的吸收能E(0，1Rav)為中心分布，如圖1所示。進(jìn)一步地，如果我們通過(guò)增加波長(zhǎng)分辨率來(lái)觀(guān)察光譜之微小結(jié)構(gòu)，我們可以看到對(duì)應(yīng)于不同特細(xì)粒子之半徑R的多個(gè)吸收。波長(zhǎng)多重記錄如下進(jìn)行，例如，使位“1”的信息單位對(duì)應(yīng)于如圖2B所示光譜中形成的微小吸收帶。采用探測(cè)二階微分吸收譜峰值波長(zhǎng)的方法，或采用與數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式有關(guān)的探測(cè)方法來(lái)探測(cè)是“0”還是“1”?？梢酝ㄟ^(guò)控制特細(xì)粒子之平均半徑及其離差來(lái)進(jìn)行寬波長(zhǎng)范圍的多重記錄。
實(shí)際上，最好采用能以較大粒子半徑產(chǎn)生量子晶粒尺寸效應(yīng)的半導(dǎo)體，因而具有較小的電子和空穴有效質(zhì)量，從而形成較大的有效玻爾半徑。在這種半導(dǎo)體中，由于對(duì)應(yīng)于特細(xì)粒子半徑R的吸收能量的藍(lán)移量很大(從方程2可見(jiàn))，因此具有這一優(yōu)勢(shì)，即記錄波長(zhǎng)的范圍很大。
采用分離在過(guò)飽和固溶體玻璃中的半導(dǎo)體原子的方法來(lái)控制半導(dǎo)體摻雜玻璃內(nèi)特細(xì)粒子的半徑R，這通過(guò)在摻雜半導(dǎo)體原子較易擴(kuò)散的溫度下退火來(lái)完成。此時(shí)，粒子半徑R(t)由以下Lifshits-Slesov理論方程給出-
R(t) =(4/9 a Dt)13,D=Doexp(-Ea/KT) 式5]]>這里，Do是擴(kuò)散系數(shù)，Ea是在玻璃基質(zhì)內(nèi)半導(dǎo)體原子的擴(kuò)散激活能，k是Boltzmann常數(shù)，T是退火溫度。
下面說(shuō)明本發(fā)明控制特細(xì)粒子直徑的原理。由于緊接著薄膜生長(zhǎng)之后的介質(zhì)處于這種狀態(tài)玻璃基質(zhì)中的半導(dǎo)體是過(guò)飽和固溶體形式，因此通過(guò)熱處理可在基質(zhì)中析出特細(xì)半導(dǎo)體粒子晶體。在這個(gè)過(guò)程中粒子直徑的控制是通過(guò)控制基于方程5的退火溫度和時(shí)間完成的，并且利用了由于退火溫度和延續(xù)時(shí)間的不同取值引起玻璃中過(guò)飽和度不同而產(chǎn)生的特細(xì)粒子生長(zhǎng)之差別。
介電材料最好從二氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氧化鋯、氮化鋁、氧化鍺、氧化釔、氧化鉿、氯化鈉、氯化鉀、聚乙烯、聚酯、聚碳酸酯、plymethylmethanol及其他有機(jī)樹(shù)脂中選出。還可用沸石或其它多孔玻璃。半導(dǎo)體材料最好是鍺，硅，碲，硒。諸如硫化鉛，氯化銅，硫化鎘，硒化鎘，硫化鎘和硒化鎘的混合晶體，碲化鍺，碲化錫，碲化銦，或諸如砷化鎵系的Ⅲ-Ⅴ族元素的混合晶體等其它半導(dǎo)體均可使用，只要它們足夠容易在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換即可。
兩種材料的混合最好使得介電材料不與嵌在其中的半導(dǎo)體材料形成固溶體;即使形成固溶體，也要小于5個(gè)原子百分比。另外，介電材料的電子親合能p1最好比半導(dǎo)體材料的電子親合能p1要小。p1-p2最好大于0.5eV。
本發(fā)明記錄材料的制備方法可選自形成介電材料的各種薄膜生長(zhǎng)方法，各種類(lèi)型的濺射方法，CVD(化學(xué)汽相淀積)方法，化學(xué)滲鍍，Solgel方法，對(duì)沸石或其它多孔玻璃之細(xì)孔的注入方法，真空汽化方法，噴涂懸浮有機(jī)樹(shù)脂方法，氮化物或氧化物的還原分解方法等。
圖3A到3C圖示了一個(gè)半徑為R的特細(xì)半導(dǎo)體粒子在記錄和擦除信息狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)的變化。根據(jù)本發(fā)明，光記錄介質(zhì)的擦除狀態(tài)對(duì)應(yīng)于以下兩種結(jié)構(gòu)(1)如圖3A所示特細(xì)粒子的內(nèi)部整體為非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)。
(2)特細(xì)粒子內(nèi)晶態(tài)部分之半徑Rc大于有效玻爾半徑a的結(jié)構(gòu)，如圖3C所示。
在(1)中，當(dāng)采用一種高能激光脈沖照射整個(gè)半導(dǎo)體特細(xì)粒子幾微微秒時(shí)，整個(gè)半導(dǎo)體特細(xì)粒子被加熱到幾千攝氏度而熔化，然后突然冷卻而使整個(gè)半導(dǎo)體特細(xì)粒子成為非晶態(tài)(見(jiàn)圖3A)。記錄是通過(guò)改變特細(xì)粒子的晶態(tài)部分半徑Rc來(lái)進(jìn)行的。這是通過(guò)采用能量相對(duì)較低的激光脈沖照射非晶態(tài)特細(xì)粒子使這個(gè)粒子在其中心處變?yōu)榫B(tài)(見(jiàn)圖3B)來(lái)完成的。結(jié)果，特細(xì)粒子由嵌在非晶相31內(nèi)的晶相核心32構(gòu)成。對(duì)應(yīng)于Rc的量子晶粒尺寸效應(yīng)和吸收能的藍(lán)移為記錄信息所必需的控制因素。
這里，我們假設(shè)非晶態(tài)特細(xì)粒子的晶化歸因于激光脈沖照射，但是本發(fā)明并不依賴(lài)此假設(shè)正確與否。因?yàn)樘丶?xì)粒子與激光束的波長(zhǎng)相比相當(dāng)小，粒子內(nèi)部將一致地吸收激光的能量，因而材料被一致地加熱，但是由于熱傳導(dǎo)，冷卻過(guò)程在表面和內(nèi)部會(huì)相當(dāng)不同。在表面的冷卻速度比在內(nèi)部的快。這是因?yàn)闊岱涿娣e與R成正比。因此，可以說(shuō)中心部分在熔化后處于晶化的合適條件下因?yàn)樗鋮s較慢。進(jìn)一步地我們假設(shè)，由于根據(jù)晶核生成和生長(zhǎng)理論，具有較小表面積的晶核更易于生長(zhǎng)，因此在特細(xì)粒子中心部分比表面核更易生長(zhǎng)。由于這種核生成作用原理，可以認(rèn)為具有非晶部分外殼之晶態(tài)部分的特細(xì)粒子狀態(tài)將被生成。
在上面(2)中，通過(guò)使晶態(tài)部分半徑R比有效玻爾半徑大來(lái)探測(cè)吸收時(shí)，由于吸收移向探測(cè)吸收波長(zhǎng)范圍之長(zhǎng)波，可以把此波長(zhǎng)范圍明顯認(rèn)為未記錄狀態(tài)(見(jiàn)圖3C)。
半導(dǎo)體特細(xì)粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布以及未記錄和擦除狀態(tài)吸收譜的變化如圖4A到4D所示。在本發(fā)明中，未記錄狀態(tài)和被擦除狀態(tài)由其半徑比有效玻爾徑大的非晶半導(dǎo)體特細(xì)粒子41(如圖4A所示)構(gòu)成，或者由其半徑比有效玻爾半徑大的晶態(tài)半導(dǎo)體特細(xì)粒粒42(如圖4C所示)構(gòu)成。此時(shí)，在被探測(cè)波長(zhǎng)范圍的吸收譜中觀(guān)察不到吸收峰值。因此，這對(duì)應(yīng)于未記錄狀態(tài)或被擦除狀態(tài)。
半導(dǎo)體特細(xì)粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布以及兩種記錄狀態(tài)下吸收譜的變化如圖5A到5D所示。未記錄狀態(tài)和被擦除狀態(tài)由具有不同半徑的非晶態(tài)半導(dǎo)體特細(xì)粒子構(gòu)成。根據(jù)方程2，本發(fā)明中的記錄狀態(tài)由晶態(tài)部分的半徑Rc確定。因諸如激光脈沖等光能照射半導(dǎo)體特細(xì)粒子的中心部分而形成的晶態(tài)部分之半徑，隨著半導(dǎo)體特細(xì)粒子半徑的增大而減小。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體特細(xì)粒子的半徑越大，其中心溫度越低。利用這種現(xiàn)象，可相當(dāng)準(zhǔn)確地控制晶態(tài)部分半徑R的分布。在介質(zhì)中重寫(xiě)信息的方法是(1)在使半導(dǎo)體特細(xì)粒子返回到圖4A或4C所示被擦除狀態(tài)以后記錄;或(2)再次照射記錄激光脈沖以增大晶態(tài)部分之半徑。在方法(1)中有一優(yōu)勢(shì)，即，正被探測(cè)的波長(zhǎng)范圍總是保持不變。在方法(2)中，由于每次重寫(xiě)信息，晶態(tài)部分的直徑都增加，因而吸收位置朝長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)偏，有必要事先把探測(cè)波長(zhǎng)范圍設(shè)得寬一些，因此必須犧牲吸收的探測(cè)分辨率。但是在方法(2)中，由于可以在舊信息上改寫(xiě)新信息，因此具有較高的重寫(xiě)信息速度這一優(yōu)勢(shì)?？梢园焉鲜鰞煞N方法結(jié)合起來(lái)組成一個(gè)系統(tǒng)。
因?yàn)楣ぷ鳒囟缺纫旱臏囟鹊停虼松厦嬗懻摰墓庥涗汸HB方法在現(xiàn)實(shí)條件下存在著可靠性問(wèn)題。關(guān)于這一點(diǎn)，我們考慮把工作溫度作為基于本發(fā)明工作原理的光記錄介質(zhì)的存貯裝置。本發(fā)明的記錄介質(zhì)具有這個(gè)特性它物理上是零階量子系統(tǒng)。因此，它具有由方程2確定的零階量子系統(tǒng)的性質(zhì)。在一個(gè)其三維X、Y和Z都是量子尺寸的特細(xì)微粒中，電子和空穴的能量是離散的，且狀態(tài)密度g(E)在每一能級(jí)上將實(shí)際上變?yōu)闊o(wú)窮。實(shí)際電子分布由狀態(tài)密度g(E)和如下的費(fèi)米-狄拉克(FermiDirac)統(tǒng)計(jì)函數(shù)f(E)(它表明電子狀態(tài)的分布隨溫度的漲落)之積給出。
f(E)＝1/(exp((E-Ef/KT)+1)式6這里，Ef是費(fèi)米能，k是Boltzmann常數(shù)，T是溫度。因此g(E).f(E)在每一電子能級(jí)En發(fā)散到無(wú)窮，與溫度無(wú)關(guān)。在實(shí)際中，由于在特細(xì)粒子中電子波的擴(kuò)散，將獲得有限的電子能量分布，并且顯然，分布被限于非常狹小的能量域。這種零階量子系統(tǒng)的性質(zhì)表明在本發(fā)明的一種記錄介質(zhì)中的記錄操作可以在室溫或高溫下進(jìn)行，因?yàn)樗陔娮酉到y(tǒng)中不受溫度引起的電子系統(tǒng)中漲落的影響，因此這是與同為波長(zhǎng)多重記錄介質(zhì)的PHB的根本區(qū)別。
在本發(fā)明中，可以用一種基于被積累的光子回波之記錄和再生方法。
光子回波是一種三階非線(xiàn)性光效應(yīng)且有三個(gè)光電場(chǎng)參與作用。常三階非線(xiàn)性偏振p因在時(shí)刻t1，t2和t3處受到激發(fā)脈沖E，E，和E的照射而在介質(zhì)里受激，在時(shí)刻t3+t2-t1，從此偏振輻射出的光就是光子回波。當(dāng)偏振受激后，可以從時(shí)刻t4時(shí)第四個(gè)穿過(guò)介質(zhì)之探測(cè)光脈沖的透射率變化來(lái)探測(cè)此偏振。因此，應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足t4-t3＝t2-t1這一關(guān)系。盡管和PHB相似也可以在低溫4.2k附近觀(guān)察到光子回波，但是在本發(fā)明的記錄介質(zhì)中，光子回波方法可以在室溫或高于室溫的操作溫度下工作。進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，作為光子回波物理起因的三階非線(xiàn)性光偏振p可以做得大一點(diǎn)。三階偏振率X由以下方程給出X＝(6π2r/R3h3(ω-ω)3｜pcu｜4式7這里，r是特細(xì)粒子的面積占有率，ω/是激發(fā)子在最低能級(jí)處的角頻。從這可以看出，三階非線(xiàn)性偏振率與特細(xì)粒子直徑R的3次冪成比例增長(zhǎng)。因此，在這種光記錄介質(zhì)中，可以通過(guò)控制上述特細(xì)粒子的平均直徑來(lái)生成各種模的光子回波。
因此在本發(fā)明中，由于特細(xì)粒子的量子晶粒尺寸效應(yīng)和激光脈沖的照射，在特細(xì)粒子內(nèi)產(chǎn)生了非晶相到晶相的相變，應(yīng)用這種相變可控制半導(dǎo)體晶態(tài)區(qū)域的平均直徑，因而提供了可以波長(zhǎng)多重記錄和光子回波存貯的光記錄介質(zhì)。
實(shí)施例1采用射頻磁控管濺射方法，用一鍺片覆蓋在指定的二氧化硅靶區(qū)，在一石英玻璃襯底上生長(zhǎng)薄膜。除了石英外，硅也可用作襯底。濺射輸出是1200w，氬氣壓是20mTorr。這樣制備的樣品放在真空里高于800℃的溫度下熱處理30分鐘，二氧化硅中的鍺過(guò)飽和固溶體被分離，因而制備了一種具有如圖1A和1B結(jié)構(gòu)的光記錄介質(zhì)。用一激光拉曼(Raman)分光儀可確認(rèn)經(jīng)熱處理后在二氧化硅基質(zhì)內(nèi)生長(zhǎng)了一種其平均粒子直徑小于7um的鍺特細(xì)粒子。
圖6中圖示了在波長(zhǎng)為514.5nm的氬離子激光激發(fā)時(shí)光致發(fā)光的密度。發(fā)射的光在620nm的波長(zhǎng)附近有一個(gè)銳峰，在580nm周?chē)幸烩g峰。這是由于在鍺特細(xì)粒子的量子晶粒尺寸效應(yīng)形成的各量子級(jí)之間的電子躍遷引起的光發(fā)射。通過(guò)用不同能量密度E的激光脈沖照射記錄介質(zhì)1ps可觀(guān)察到吸收增的變化。當(dāng)E大于100kw/cm2時(shí)沒(méi)有吸收出現(xiàn)。這是因?yàn)殒N特細(xì)粒子熔化后變成非晶態(tài)所致。當(dāng)E大約為20kw/cm2時(shí)，可以觀(guān)察到，隨著重復(fù)照射次數(shù)的增加，吸收波長(zhǎng)朝較短波長(zhǎng)的方向移動(dòng)。這表明吸收波長(zhǎng)與鍺特細(xì)粒子的晶體域直徑有關(guān)。通過(guò)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例，證實(shí)了根本本發(fā)明的記錄，再生和擦除信息方法的原理是能成立的。
常規(guī)技術(shù)通過(guò)把記錄符號(hào)本身做得較小來(lái)增加光記錄的密度，記錄符號(hào)作為信息的基本單元在光記錄介質(zhì)上大小只有幾個(gè)微米，以增加單位面積的記錄符號(hào)密度。與常規(guī)記錄方法不同，本發(fā)明既不需要減小記錄激光的波長(zhǎng)又不需要增加用來(lái)聚焦激光之物鏡的孔徑。進(jìn)一步地，由于在本發(fā)明內(nèi)可以進(jìn)行波長(zhǎng)多重記錄，原則上可以達(dá)到每cm2單位記錄介質(zhì)，記錄6×1010bit的密度。即，本發(fā)明提供的記錄密度比目前可能的光盤(pán)記錄密度108bit/cm2高600倍。
另外，與溫度范圍限制在0.3到25k的PHB光記錄方法相比較，本發(fā)明可在室溫或高于室溫的溫度下使用。
另外，因?yàn)閷?duì)吸收洞信息有一個(gè)能量閾闊值，所以本發(fā)明中的再生光之穩(wěn)定性非常好。
實(shí)施例2采用射頻磁控管濺射方法以一硅(Si)片覆蓋在一指定的三氧化二鋁(Al2O3)靶區(qū)，在一石英玻璃襯底上生長(zhǎng)薄膜。濺射輸出是1200w，氬氣壓是20mTorr。這樣制備的樣品通過(guò)用一激光束照射來(lái)進(jìn)行部分加熱因而分離出在Al2O3內(nèi)過(guò)飽和固溶體形式的Si。通過(guò)調(diào)整激光的功率和脈寬，可以控制生長(zhǎng)的Si特細(xì)粒子的半徑分布。用這種方法已證實(shí)，可以在Al2O3(單位尺寸為幾微米到幾十微米的基質(zhì))內(nèi)生長(zhǎng)具有半徑分布的Si特細(xì)粒子。還確認(rèn)在本實(shí)施例內(nèi)制備的光記錄介質(zhì)具有與實(shí)施例1同樣的效果。
實(shí)施例3圖7中圖示了一種根據(jù)本發(fā)明的信息記錄和再生裝置的優(yōu)選實(shí)施例。上述光記錄介質(zhì)71以單元尺度為5微米的矩陳方式排列，在它的兩面各放一面部分透射鏡72或具有合適反射性的介電薄膜，從而形成一個(gè)Fabry-Perot諧振器73。在通過(guò)用上述激光有選擇的照射來(lái)改變各個(gè)單元的吸收譜后，通過(guò)改變Febry-Perot諧振器鏡間距離76使其對(duì)染料激光器75照射的吸收波長(zhǎng)諧振，而獲得最大透射率，這樣吸收峰值用探測(cè)器77高靈敏度地探測(cè)到。在這個(gè)裝置里，允許在本發(fā)明的光記錄介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)多重記錄。
實(shí)施例4圖8中圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)信息記錄與再生裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例。光記錄介質(zhì)81與實(shí)施例3中的相同。此裝置包含一個(gè)環(huán)狀諧振器，它如下構(gòu)成一個(gè)部分透射鏡82和一個(gè)全反射鏡83放在光記錄介質(zhì)81相向的兩側(cè)，另一個(gè)全反射鏡84放在全反射鏡83的對(duì)面，和另一個(gè)放在全反射鏡84對(duì)面的全反射鏡85。在用一特定數(shù)目的經(jīng)部分透射鏡82的激光束87脈沖照射光記錄介質(zhì)81的每一單元而改變單元的吸收譜后，染料激光87再次照射，以吸收波長(zhǎng)諧振這些單元，變動(dòng)環(huán)狀諧振器鏡距離使透射率變?yōu)樽畲?，從而用探測(cè)器86高靈敏地探測(cè)吸收峰值。當(dāng)探測(cè)波長(zhǎng)范圍為400到600nm，此探測(cè)器是高速Fourier變換設(shè)備時(shí)，每一吸收波長(zhǎng)可達(dá)0.2nm的分辨率，由此可達(dá)到500-1000的多波長(zhǎng)復(fù)用水平。
實(shí)施例5圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明的基于被積累光子回波的信息再生裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例。記錄介質(zhì)96與實(shí)施例3和4的一樣。激光脈沖91被偏振光束分離器92分為一條泵浦光束和一條探測(cè)光束。這兩條光束分別被光延遲電路93與94作時(shí)間調(diào)制，并通過(guò)聚光系統(tǒng)95照射在光記錄介質(zhì)96上。穿過(guò)光記錄介質(zhì)的泵浦光束和探測(cè)光束被準(zhǔn)直鏡97導(dǎo)向探測(cè)器98。泵浦光束和探測(cè)光束間的時(shí)差(相差)由探測(cè)器98探測(cè)出，因而探測(cè)到光記錄以時(shí)間標(biāo)度介質(zhì)96中出現(xiàn)的光子回波。光記錄介質(zhì)96具有如圖7所示的矩陣形式，并且由移動(dòng)設(shè)備99對(duì)矩陣各單元進(jìn)行掃描。
小結(jié)如下，本發(fā)明可提供光記錄介質(zhì);記錄，再生，和擦除信息的方法;以及信息記錄和再生裝置，應(yīng)用這些，可以在室溫或高于室溫的溫度下進(jìn)行極高密度的信息記錄、再生和擦除。本發(fā)明可用于其它涉及控制或改變光學(xué)性質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種改變物體光學(xué)性質(zhì)的方法，其特征為所述物體具有在基質(zhì)(14)中分布的半導(dǎo)體微粒(13)，它包括對(duì)所述物體施加能量改變所述粒子晶態(tài)部分區(qū)域(32)的尺寸，且這部分區(qū)域的尺寸可呈量子晶粒尺寸效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法用來(lái)提供對(duì)一包括所述物體的光器件的控制的方法，其中所述控制是通過(guò)向所述物體施加能量以改變所述粒子之非晶態(tài)區(qū)域(31)和晶態(tài)區(qū)域(32)相對(duì)量之比來(lái)完成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種方法，其中數(shù)據(jù)存貯是通過(guò)依被存貯的數(shù)據(jù)改變所述物體的光學(xué)性質(zhì)來(lái)完成的，其中所述能量是在所述半導(dǎo)體微粒中改變其所述晶態(tài)部分區(qū)域(32)之大小的光能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一要求的一種方法，其中所述半導(dǎo)體粒子(13)的粒度分布具有以nm表示的離差σ使得0.5≤σ≤3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一要求的一種方法，其中所述半導(dǎo)體粒子(13)的平均粒子大小不大于10nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一要求的一種方法，其中至少有80%的所述半導(dǎo)體粒子(13)之半徑小于所述半導(dǎo)體粒子材料的有效玻爾半徑。
7.一種數(shù)據(jù)存貯方法，其特征為根據(jù)被存貯的數(shù)據(jù)從一個(gè)具有吸收頻譜的記錄介質(zhì)中選擇光吸收頻譜，可通過(guò)對(duì)嵌入基質(zhì)(14)的半導(dǎo)體微粒(13)的光基本吸收能進(jìn)行控制來(lái)改變這種吸收頻譜。
8.具有其光學(xué)性質(zhì)可變之物體的光器件，其特征為所述物體具有分布在基質(zhì)(14)中的半導(dǎo)體材料微粒(13)，所述粒子可以一種其內(nèi)含有所述半導(dǎo)體材料之晶態(tài)部分區(qū)域(32)的狀態(tài)存在，所述晶態(tài)區(qū)域(32)的尺寸呈量子晶粒尺寸效應(yīng)，所述器件具有向所述粒子(13)施加能量以改變所述晶態(tài)部分區(qū)域(32)的大小的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光器件具有可控制的光學(xué)性質(zhì)，其中所述向所述物體施加能量的裝置所施加的能量足以改變所述粒子之非晶態(tài)區(qū)域(31)和晶態(tài)區(qū)域(32)相對(duì)量之比，因而控制物體的光學(xué)性質(zhì)。
10.一種包含一襯底(11)和其上的記錄層(12)的記錄介質(zhì)，其特征為所述記錄層具有一種基質(zhì)(14)和在所述基質(zhì)中分布的一種半導(dǎo)體材料的微粒(13)，所述微?？梢砸环N包含所述半導(dǎo)體材料晶態(tài)區(qū)域且其尺寸呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的狀態(tài)存在。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的記錄介質(zhì)，其中所述半導(dǎo)體材料可在晶態(tài)和非晶態(tài)間轉(zhuǎn)換。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的記錄介質(zhì)，其中所述粒子的平均尺寸不大于10nm。
13.根據(jù)權(quán)利要求10到12的任一要求的記錄介質(zhì)，其中所述粒子具有一粒度分布(σ)，以nm表示使得0.5≤σ≤3。
14.根據(jù)權(quán)利要求10到13的任一要求的記錄介質(zhì)，其中所述半導(dǎo)體材料選自鍺，硅，碲和硒。
15.根據(jù)權(quán)利要求10到14的任一要求的記錄介質(zhì)，其中基質(zhì)(14)由一種其能帶隙比所述半導(dǎo)體材料的寬的材料制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求10到15的任一要求的記錄介質(zhì)，其中至少有80%的所述粒子(13)的半徑比所述半導(dǎo)體材料的有效玻爾半徑小。
17.根據(jù)權(quán)利要求10到16的任一要求的記錄介質(zhì)，其中所述基質(zhì)由氧化硅或氧化鍺制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求10到17的任一要求的記錄介質(zhì)，其中在所述基質(zhì)(14)中所述粒子(13)的體積占基質(zhì)總體積的10%到60%。
19.一種記錄信息的方法，其中根據(jù)權(quán)利要求10到18的任一要求向一記錄介質(zhì)施加的能量取決于要記錄的信息。
20.一種包括向一個(gè)記錄層(12)施加能量的記錄信息方法，其特征為所述記錄層包含一種其內(nèi)散布有半導(dǎo)體材料微粒的基質(zhì)，此半導(dǎo)體材料可以非晶態(tài)和晶態(tài)形式存在，所述方法包括(a)向所述層施加第一能量把所述粒子變?yōu)樗龇蔷B(tài)，和(b)通過(guò)至少施加一次比所述第一能量小的第二能量在所述粒子內(nèi)形成呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的所述晶態(tài)區(qū)域，對(duì)所述第二能量的所述施加之控制與要被記錄的信息有關(guān)。
21.一種包括向一種記錄層(12)至少施加一次能量的步驟的記錄信息方法，其特征為所述層具有其內(nèi)散布有至少部分為非晶態(tài)之半導(dǎo)體微粒(13)的基質(zhì)材料(14)，以在所述粒子中形成呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的晶態(tài)區(qū)域，所述能量大于所述粒子的光基本吸收能，對(duì)所述能量的所述施加之控制與要被記錄的信息有關(guān)。
22.一種擦除記錄在具有在一襯底(11)上形成的記錄層(12)的記錄介質(zhì)里之信息的方法，其特征為所述層(12)具有一種其內(nèi)散布有具有一定半徑分布之半導(dǎo)體微粒(13)的基質(zhì)(14)，所述粒子的核心區(qū)域(32)為呈現(xiàn)量子晶粒尺寸效應(yīng)的晶態(tài)，因此存貯記錄的信息，所述擦除方法包括施加能量把所述粒子(13)轉(zhuǎn)成非晶態(tài)因固而擦除所述記錄的信息。
23.一種再生記錄在具有襯底(11)上形成之記錄層(12)之記錄介質(zhì)里的信息的方法，其特征為所述層(12)具有一種其內(nèi)散布有具有一定半徑分布之半導(dǎo)體微粒(13)的基質(zhì)(14)，粒子(13)的核心區(qū)域(32)為呈量子晶粒尺寸效應(yīng)的晶態(tài)因而存貯被記錄的信息，所述再生方法包括探測(cè)在選自所述記錄層(12)之反射、透射和吸收譜的一種光譜中出現(xiàn)的至少一種吸收波長(zhǎng)。
24.一種再生存貯于根據(jù)權(quán)利要求10到18的任一要求的一記錄介質(zhì)中信息的方法，其中光子回波方法用于再生該信息。
25.一種記錄信息的器件包括根據(jù)權(quán)利要求10到18任一要求的記錄介質(zhì)和用其強(qiáng)度足以引起所述粒子(13)的所述晶態(tài)區(qū)域(32)之構(gòu)造或變化的光束可控制地照射所述記錄介質(zhì)的裝置，因而在所述記錄介質(zhì)中記錄信息。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的器件，還具有再生記錄信息的裝置，它包括用來(lái)探測(cè)至少一種所述記錄介質(zhì)的吸收波長(zhǎng)的方法。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26的一種器件，其中所述記錄介質(zhì)在一個(gè)Fabry-Perot光諧振器(71，72，73)中。
28.根據(jù)權(quán)利要求25或26的一種器件，其中所述記錄介質(zhì)在一個(gè)環(huán)狀諧振器(82，83，84，85)中。
全文摘要
通過(guò)控制散布在介電基質(zhì)(14)內(nèi)之半導(dǎo)體微粒(13)的呈量子晶粒尺寸效應(yīng)之晶態(tài)部分的直徑獲得(即使在室溫下)高密度光信息記錄，這種直徑控制是利用微粒非晶態(tài)到晶態(tài)的相變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。量子晶粒尺寸效應(yīng)指介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)取決于晶態(tài)部分的直徑。用這種記錄介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)各種記錄、再生、和擦除信息的方法，本發(fā)明可用于其它光器件。
文檔編號(hào)G11B7/30GK1072272SQ92104788
公開(kāi)日1993年5月19日 申請(qǐng)日期1992年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月22日
發(fā)明者前田佳均, 生田勛, 永井正一, 加藤義美, 安藤壽, 本信夫 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所