光信息存儲要求所用材料具有長期穩定、成本相對較低、受環境的影響較小、響應速度快、可重複寫入、儲存容量大等特點，如金屬納米顆粒，石墨烯及稀土發光材料等都有報導用於信息儲存。
近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室/材料科學與工程學院董國平教授團隊實現了以玻璃中形成的鈣鈦礦量子點作為關鍵材料，採用可逆3D雷射列印技術來實現光信息存儲，他們的工作發表在《自然-光子學》上。
光信息存儲材料「新星」
董國平認為，金屬滷素鈣鈦礦（MHP）在光電器件應用領域有兩個特點。
「首先，與傳統半導體相比，MHP最大優勢在於其對缺陷的容忍度很高。」
董國平告訴《中國科學報》，MHP的各種缺陷能級很少處於帶隙之中，因此缺陷對MHP的性能影響不大。多晶鈣鈦礦薄膜可以在低溫下合成，並且即使其存在一定數量的缺陷，依然能用其製備出高性能的光電器件。
此外，MHP具有強光學吸收，長載流子擴散距離，高載流子遷移率，在太陽能電池、發光二極體和光電探測器等光電子器件領域具有重要應用。」
「這項工作中，我們利用飛秒雷射首次實現了在透明玻璃中可控析出鈣鈦礦量子點並將其三維圖案化。」董國平說道。
光照擦除，加熱恢復
論文的第一作者、華南理工大學材料科學與工程學院博士生黃雄健告訴《中國科學報》，得益於玻璃的保護，鈣鈦礦量子點可以穩定存在於玻璃中。有趣的是，飛秒雷射輻照和熱處理可以分別控制玻璃中鈣鈦礦量子點的發光猝滅和發光恢復。
黃雄健介紹道，這項工作中所用到的雷射屬於超短脈衝雷射，或稱飛秒雷射。
超短脈衝雷射聚焦在玻璃內部時，玻璃能通過非線性吸收超短脈衝雷射的能量，使雷射聚焦處的溫度瞬間上升到幾百甚至上千度。局部瞬時高溫能夠讓雷射聚焦處的原子進行移動和聚集，形成晶核。這些晶核可以作為晶種在後續的低溫熱處理過程中受熱場驅動下生長並形成鈣鈦礦量子點，此時信息就可以被「記錄」下來。
由於鈣鈦礦量子點的光穩定性比較差，當再次用超短脈衝雷射對鈣鈦礦量子點進行輻照時，鈣鈦礦量子點的結構會受到破壞，並產生大量缺陷，最終導致其發光猝滅，所記錄的信息也就被「擦除」了。
而當再次低溫熱處理後，鈣鈦礦量子點的結構和缺陷能夠在熱場驅動下進行修復，從而重新發光，這樣信息也就得以「恢復」。
黃雄健介紹，鈣鈦礦量子點用作光信息存儲材料具有眾多優勢，如利用其高發光量子效率可以很容易獲得高信噪比的光信號；利用鈣鈦礦量子點的可逆發光可實現信息的重複寫入；而利用3D雷射列印可以實現三維信息存儲，提高信息儲存容量。
「由於信息存儲在玻璃內部，這種信息存儲方式的穩定性好。同時，可以利用鈣鈦礦量子點在一定波長的激發下才能發光的特性，對信息進行加密。」黃雄健說。
應用尚需時日，環保有待提高
「這項研究對於如何提高鈣鈦礦材料及器件的光穩定性和恢復鈣鈦礦材料及其器件的性能具有重要意義。」
董國平說道，「同時，我們的工作中所用到的3D雷射列印技術也為其他易受光、熱影響的材料提供三維圖案化及性能可逆的可能性。」
董國平認為，這種玻璃體系中形成的鈣鈦礦量子點，其發光可以通過雷射輻照和熱處理實現多次循環可逆，並且只有在特定波長的光激發下才能顯示，未來在信息存儲、防偽等領域大有可為。
董國平介紹，雖然該工作還處於基礎研究階段，離應用尚有距離，但是他們已經制訂了下一步工作計劃，將圍繞提高鈣鈦礦量子點在透明玻璃的寫入和擦除效率以及存儲容量等方面進行研究。
「在環保方面，鈣鈦礦量子點含有鉛元素，雖然比鎘基量子點的毒性小，但還是具有一定毒性。而我們用玻璃固定和隔絕鈣鈦礦量子點，在一定程度上能夠減少鉛元素的汙染。後續我們也將開發無鉛鈣鈦礦量子點玻璃，減少和消除鉛元素的用量。」 董國平說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-019-0538-8
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