厦大解荣军课题组Adv. Funct. Mater.：面向高容量光学信息存储的深陷阱长余辉发光材料

【引言】

长余辉发光材料是利用能量陷阱对入射光子的捕获和缓慢再释放而产生持续发光的一类特殊光学功能材料，根据材料中陷阱密度和陷阱深度不同，其发光寿命从数秒至数小时不等。基于这种独特的发光性能，室温长余辉发光材料已被广泛应用于夜间指示照明及交流LED器件中，并成为生物荧光标记和光学信息存储领域的研究热点。与室温长余辉发光材料相比，深陷阱长余辉材料在室温下载流子的释放速度极慢。由于具有在室温下存储信息，在高温或额外光激励下释放信息的双重特性，深陷阱长余辉材料是一类理想的光学信息存储介质。并且，由于信息读取时的光子发射包含特定的光谱特征，结合波分复用和强度复用技术，以深陷阱长余辉发光材料为存储介质有望研发出多信息维度的光学信息存储系统，解决传统二维光学信息存储介质（如光盘等）存储容量难以提升的困境。

【成果简介】

近日，厦门大学解荣军课题组在新型光学信息存储材料方面取得一定的研究进展。课题组庄逸熙博士等研究人员在Advanced Functional Materials上在线发表了题为“Optical data storage and multicolor emission readout in flexible films using deep-trap persistent luminescence materials”的文章。在该项工作中，研究团队利用深陷阱长余辉发光材料对于光子的吸收存储和选择性再释放的特性，首次采用激光刻录技术演示了以深陷阱长余辉发光粉体薄膜为存储介质的高通量光学信息逐点写入-全域读取/逐点读取。研究团队还成功实现了对读取信号的发光颜色和发光强度的调控，这对于研发新一代具有超高存储容量的多维光学信息存储系统具有重要意义。除了以高温热激活进行信息读取之外，研究团队也演示了通过近红外光束逐点扫描读取薄膜中被写入的信息。逐点写入-逐点读取的方式更易于与目前广泛使用的光盘存储技术兼容。

【图文导读】

图1 荧光粉体薄膜的制备及其在光学信息存储中的应用

(a) 荧光粉体与硅胶混合、成型并固化后获得粉体薄膜；

(b) 激光刻录机写入预存储信息；

(c) 高温热激活读取信息；

(d) 柔性薄膜应用于曲面；

(e) 近红外光激励读取信息。

图2 多色荧光粉体薄膜及发光光谱

(a) 自然光下的粉体薄膜照片；

(b) 紫外光下的粉体薄膜照片；

(c) 紫外光下的发光光谱。

图3 基于高温热激活方式读取被写入的图像信息

(a-d) 通过材料组成调控读取信号的发光颜色；

(e) 通过刻录光强调控读取信号的发光强度；

(f) 同一基板上复合多色发光。

图4 柔性薄膜应用于曲面时的信息读取

(a) 预刻录的图像；

(b-c) 刻录图像并注入150ºC硅油后，在自然光和黑暗环境中的照片。

图5 基于近红外光激励方式逐点读取被写入的信息

(a) 预刻录的二维码图像；

(b) 980nm激光逐点扫描瞬间；

(c) 拼合b获得的信息；

(d) 热激活全域读取。

图6 陷阱分布及光学信息存储的机理

(a-c) 估算SSON:Eu,Dy样品的陷阱分布；

(d) 深陷阱长余辉材料应用于光学信息存储的机理。

图7 光学信息存储的重复性测试

(a-b) 实际温度曲线和热释发光曲线；

(c) 读取信号的强度与循环次数的关系。

图8 刻录信号持久度测试

(a-b) 实际温度曲线和热释发光曲线；

(c) 读取信号的强度与信号存储时间的关系。

【小结】

本文报道了一种基于深陷阱长余辉发光材料的新型光学信息存储及信息读取方式。通过405 nm激光将信息逐点刻录于柔性粉体薄膜上，由于陷阱较深，所刻录的信息在室温被冻结；而通过加热到较高温度或者通过980 nm近红外激光照射，可读出预刻录的信息。读取过程伴随光子的发射，发光的波长和强度可以通过成分和刻录光强进行调控。

传统的相变型或磁光型光学信息存储介质是基于基板对入射光反射或偏振的差异而识别预存储信息。本文所报道的信息读取方式是利用刻录点对光子的选择性释放，由于光子发射包含特定的光学信息，以深陷阱长余辉发光材料作为存储介质有望研发出新一代具有超高存储容量的多维光学信息存储系统。

文献链接: 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)

【相关工作链接】

与上述工作相关的另一项研究中，研究团队系统报道了在长余辉发光材料体系SrSi₂O₂N₂:Ln²⁺,Ln³⁺中以稀土离子共掺杂的方式进行陷阱深度调控的思路，讨论了不同陷阱深度对于信息存储能力的影响。这项研究不仅对于设计不同陷阱深度的长余辉发光材料具有重要启示意义，而且展示了深陷阱长余辉发光材料在信息防伪和新型显示等新兴领域的应用潜力。该工作以“Trap depth engineering of SrSi₂O₂N₂:Ln²⁺,Ln³⁺ (Ln²⁺ = Yb, Eu; Ln³⁺ = Dy, Ho, Er) persistent luminescence materials for information storage applications”为题于2017年12月26日在线发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，论文第一作者为庄逸熙博士。

文献链接：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，研究团队2017年12月20日在ACS Applied Materials & Interfaces上在线发表了题为“Achieving multicolor long-lived luminescence in dye-encapsulated metal-organic frameworks and its application to anticounterfeiting stamps”的文章。该工作阐述了在金属有机框架材料的周期性孔道中引入特定染料分子，通过主客体之间高效的能量传递效应获得多色室温长寿命发光的新思路。多色室温长寿命发光材料的制备对于实现大容量信息存储和高等级信息防伪具有重要价值。该论文第一作者为课题组硕士研究生刘剑斌。

文献链接：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)

本文由厦门大学解荣军教授课题组供稿。

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