(optical data storage, ODS)是一种很有远景的长命命大数据存储解决方案 [1] . 可是传统的光盘有着比闪存设备和硬盘低得多的容量, 怎么在有限体积内有用添加存储密度成为光存储亟待解决的问题 [2] . 研讨人员经过开发多维物理量复用的光存储 [ 3 , 4 ] , 写入多层的三维空间光存储 [5] 等来进步光学存储介质的存储密度. 但以上办法都没有打破光学衍射极限的约束. 仅有很少研讨评论了光和资料相互作用之后, 信息点被超分辩地写入随后被超分辩地读出, 即超分辩率纳米光子存储技能. 针对读出虽然近年来有多种超分辩率显微技能, 如受激发射损耗显微镜(stimulated emission depletion microscopy, STED)、随机光学重建显微、扫描近场显微镜等, 针对写入也有许多纳米加工技能比方电子束曝光和刻蚀、离子束刻蚀、纳米激光直写 [6] 、纳米粒子激光三维安装技能 [7] 等, 可是简略地将两者结合并不能有用完成纳米光子存储技能. 而单完成一层的纳米光子存储已很有应战. 为此, 研讨人员开发了一种可逆切换的增强型绿色荧光蛋白(reversibly switchable enhanced green fluorescent protein, rsEGFP) [8] , 记载和勘探了道间隔为 200 nm (~ λ /3)的超分辩信息记载点. 可是rsEGFP寿数较短, 不适合作为长时间的存储介质. 虽然掺杂镧系元素的上转化纳米颗粒与氧化石墨烯结合 [9] 也完成了超分辩率的道间隔为 195 nm (~ λ /5)的信息点光学写入, 可是上转化纳米颗粒在光敏资料上的散布不均匀且不通明, 无法用于多层三维空间的光存储. 怎么精准控制并在三维空间写入超分辩率的信息点, 再将这些纳米信息点读出来, 是一个很大的应战. 针对以上难题, 上海理工大学光子芯片研讨院院长、张江实验室光计算所所长研讨员等 [10] 开发了一种掺有集合诱导发光染料的有机树脂薄膜AIE-DDPR(dye-doped photoresist with aggregation-induced emission luminogens), 使用双光束写入和双光束读出的方法在该薄膜资料上完成了 54 nm 的单信息记载点以及 70 nm 的点间隔写入. 一起, 100层的信息写入代表着单盘等效容量为1.6 Petabits(Pb), 存储密度是五维光子存储 [3] 的125倍, 是可逆绿色荧光蛋白存储介质 [8] 的1600倍, 是现在最先进硬盘的24倍. 相关作用近期宣布在 Nature 上.
研讨团队评论了飞秒激光调控下的集合诱导发光(optically stimulated aggregation-induced emission, OS-AIE)的荧光增强效应. 图1 显现了AIE-DDPR资料的3个不同的态. 第一个态为胶状体, 第二个态为紫外可见(ultra-violet, UV)光固化后的态, 第三个态为飞秒激光束作用后的态. 有别于传统的双光束超分辩的纳米激光直写都在胶状体下进行, 后续需求湿法处理来显影并需求用电子显微镜读出信息, 这种AIE-DDPR资料在第二态的UV光和第三态的飞秒激光曝光之后不必显影. AIE-DDPR资料在第二态时形成了一个固体形状, 便使用于做三维基底, 并仅发射弱荧光. 当 515 nm 的实心飞秒激光作用后, 诱导AIE-DDPR资料从第二态到第三态的改变, 薄膜聚合程度的进步导致集合诱导发光荧光强度增强. 研讨团队对AIE-DDPR资料来了微区荧光光谱、荧光寿数以及拉曼测验剖析, 发现第三态的发射光谱相对于第二态产生红移. 集合诱导发光荧光强度增强是以下两种效应协同作用的作用: (1)六苯基噻咯(hexaphenylsilole, HPS)的外围苯环的旋转受约束, 阻断了非辐射能量消耗途径; (2)外围苯环与silole环的平面化添加了共轭度, 然后添加了辐射衰减率. 为完成纳米标准下的集合诱导发光荧光强度增强效应, 在第三态进程中加第二束环形的 639 nm 接连激光, 与资料产生三重态-三重态吸收效应, 阻挠聚集光斑外围区域的聚合强度进步和荧光强度增强. 随后, 使用STED技能将写入信息进行超分辩率的读出.
为了到达纳米光子存储的最大存储密度, 研讨团队成功地在AIE-DDPR资料薄膜中完成了多达100层的写入和读取, 如 图2 所示. 其间, 写入厚度为 100 μm. 研讨团队将相邻的信息记载层之间的间隔最小化至 1 μm, 最大极限地将信息记载层的数量添加至100层( 图2 (a)). 详细地, 徽章图片(“USST”和“SIOM”)被替换写入AIE-DDPR资猜中. 偶数层和奇数层具有明晰的替换图画, 相互之间没有串扰. 如 图2 (b)所示, 经过对顶层(第8和第9层)、中层(第58和第59层)和底层(第95和第96层)图画的比较, 发现顶层的与底层的图片空间分辩率适当. 值得一提的是, 在验证三维纳米光子存储器的原型时, 至关重要的是从编码数据(例如音频或视频)转化为二进制比特位数据流, 然后在介质中对比特位进行记载, 再用超分辩率光学显微技能逐位检索信号( 图2 (c)), 并对比特位数据流进行解码以重建原始数字文件. 荧光强度曲线 (c)所示的红框扩大图取得, 显现均匀横向道间隔为180 nm. 原始被编码的8位图画(16 × 16)树和相应的解码图画如 图2 (e)所示. 生成的图画中, 树的像素点色彩略有不同, 这是由0.33%的原始误码率导致的失真. 误码率终究可以用纠正编码降到最低. 由此, 研讨团队验证了根据多层的纳米光子存储的编解码进程.
图2 100层三维纳米光子存储的验证 [10] . (a) 515 nm 飞秒写入激光和 639 nm 接连空心按捺激光被聚集在存储介质中并进行了100层的层间隔为 1 μm 的写入; (b) 对写入的第8、9、58、59、95、96层的校徽图片进行超分辩率的读出; (c) 一棵树状图的8比特位二进制编码的写入层并对其进行超分辩率下的荧光成像读出; (d) 图(c)中扩大图的荧光强度曲线; (e) 被编码和解码后的树状图
在AIE染料分子掺杂的光刻胶资料系统下, 研讨团队使用双光束的手法, 提出了OS-AIE的荧光增强效应并完成了纳米标准下的荧光发光调控. 使用该AIE-DDPR薄膜在ODS中的写入和读出均打破了衍射极限约束的现象, ODS单盘等效容量进步至Pb量级. OS-AIE的荧光增强效应将会在高分辩率显现的有机发光二极管和生物显微成像、光子芯片光源等范畴具有可观的使用远景.