СПОСОБ ДОЛГОВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ И НОСИТЕЛЬ ДЛЯ ЭТОГО
A METHOD FOR LONG-TERM STORAGE OF INFORMATION AND A MEDIUM FOR THIS

Настоящее изобретение относится к способу долговременного хранения информации и к носителю информации для долговременного ее хранения.
В настоящее время существует широкое разнообразие доступных для выбора возможностей хранении информации. С наступлением цифровой эры остро стояла потребность в недорогих и эффективных системах хранения информации, и возникли многочисленные новые технологии. Распространение механизмов хранения информации, однако, привело к некоторым непредвиденным последствиям. Современные системы хранения информации являются очень хрупкими и подверженными повреждениям. Носители, такие как жесткие диски и оптические диски, имеют сроки службы, составляющие лишь десятки лет, и только в том случае, если они правильно хранятся и обслуживаются. Даже более ранние технологии, такие как бумага или микропленка, имеют сроки службы, составляющие в самом лучшем случае лишь столетия. Все эти технологии хранения информации чувствительны к теплу, влаге, кислотам и т.д., а значит, легко могут деградировать, приводя к потере информации.
Поскольку потребность в хранении данных растет экспоненциально, используемые для хранения данных способы становятся все более уязвимыми к разрушению и восприимчивыми к течению времени. Однако информация многих типов должна предохраняться от естественной деградации для обеспечения передачи информации будущим поколениям. В случае природных катаклизмов, таких как, например, сильное электромагнитное излучение Солнца, огромное количество данных может быть повреждено или уничтожено. Таким образом, существует потребность в таком накопителе информации, который является стойким к деградации под действием окружающей среды и поэтому может хранить информацию в течение длительных периодов времени.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ и носитель для долговременного хранения информации.
Эта задача решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам осуществления.
Согласно первому аспекту, изобретение относится к способу долговременного хранения информации. Способ включает этапы обеспечения керамической подложки; покрывания керамической подложки слоем второго материала, причем этот слой имеет толщину не более 10 мкм; отпуска покрытой керамической подложки с образованием записываемой пластины; и кодирования информации на записываемой пластине с использованием, например, лазера или сфокусированного пучка частиц (например, сфокусированного пучка ионов, сфокусированного пучка электронов или т.п.) для управления локализованными областями записываемой пластины.
Управление локализованными областями записываемой пластины может содержать нагревание, разложение, окисление, абляцию и/или испарение локализованных областей записываемой пластины. Если используется лазер, то лазер обычно будет нагревать области воздействия лазерного луча, что, в свою очередь, может вызывать разложение, окисление, абляцию и/или испарение материала внутри или вблизи областей воздействия. В случае сфокусированного пучка частиц могут быть задействованы другие механизмы. Например, воздействие сфокусированного пучка ионов может напрямую вызывать абляцию атомов из областей воздействия.
Управление локализованными областями записываемой пластины кодирует информацию на записываемой пластине. Это кодирование может быть основано на множестве разных физических и/или химических процессов. Предпочтительно, упомянутое управление заставляет локализованные области становиться отличимыми от окружающего материала. В некоторых применениях это может включать достижение оптической отличимости. Однако, в других примерах (в частности, если кодированные структуры слишком малы) локализованные области могут быть отличимыми от окружающего материала только посредством, например, растрового электронного микроскопа или измерения изменения другого физического параметра, например, магнитных, диэлектрических или проводящих свойств.
min
max
min
max
Термин «оптически отличимый» может относиться к отличимости невооруженным глазом вследствие контраста по цвету и/или темноте/яркости и/или отражению. Однако этот термин также охватывает оптические различия в оптическом спектре за пределами видимого спектра, например, в инфракрасном и/или ультрафиолетовом спектре. В таком случае локализованные области могут быть оптически отличимыми посредством оптического считывателя или сканера, чувствительного в соответствующей области спектра. Оптическая отличимость может быть измерена с использованием, например, контраста Вебера, причем доля контраста Вебера закодированной на записываемой пластине информации предпочтительно составляет по меньшей мере 1%, более предпочтительно по меньшей мере 3%, еще более предпочтительно по меньшей мере 5%. Для структур, меньших 200 нм, создаваемых, например, сильно сфокусированными пучками частиц, даже ультрафиолетовый спектр может не дать удовлетворительные результаты. В таких случаях для сканирования закодированной на нанометровом уровне информации может быть использован растровый электронный микроскоп (РЭМ, от англ. scanning electron microscope - SEM). В случае, когда для декодирования измеряются отличные от оптических параметры (например, магнитные, диэлектрические или проводящие свойства), контраст Вебера может быть применен аналогичным образом. Например, может быть предпочтительным, чтобы физический параметр p использовался для кодирования. Тогда предпочтительно, чтобы величина 1-p/p составляла по меньшей мере 1%, более предпочтительно по меньшей мере 3%, еще более предпочтительно по меньшей мере 5%, где p и p относятся соответственно к минимуму и максимуму параметра р по всей записываемой пластине.
Слой второго материала предпочтительно наносят непосредственно на керамическую подложку, т.е. без какого-либо присутствующего промежуточного слоя, для того, чтобы добиться сильной связи между керамической подложкой и слоем второго материала во время отпуска. Однако отпуск может создавать спеченную границу раздела между керамической подложкой и слоем второго материала. Спеченная граница раздела может содержать по меньшей мере один элемент как из материала подложки, так и из второго материала, поскольку один или более элементов из одного из двух смежных слоев могут диффундировать в другой слой из этих двух смежных слоев. Наличие спеченной границы раздела может дополнительно усилить связь между керамической подложкой и слоем второго материала.
Слой второго материала предпочтительно является непрерывным и предпочтительно простирается по большой части (например, по меньшей мере 80% или по меньшей мере 90%) керамической подложки, более предпочтительно – всей керамической подложке. Это позволяет обеспечить одинаковый оптический контраст между локализованными областями, с одной стороны, и большей частью или всей подложкой, с другой стороны. Предпочтительно, второй материал отличается от материала керамической подложки, т.е. второй материал может иметь иной элементный состав, чем материал керамической подложки, или второй материал и керамическая подложка отличаются по их микроскопической структуре, например, по их состоянию кристаллизации или т.п. Однако изобретение требует только оптического контраста после управления локализованными областями. Таким образом, может быть достаточным, чтобы управляемый материал был оптически отличимым от окружающего материала. В некоторых случаях, однако, оптический контраст может быть следствием удаления материала в локализованных областях. Специалистам в данной области техники будет понятно, что контраст может быть также достигнут с помощью других физических параметров, как указано выше.
Отпуск является процессом, который может быть осуществлен на некоторых материалах, таких как керамики и металлы, для повышения их срока службы посредством изменения основных физических или химических свойств материала. Процесс отпуска может содействовать постоянному прикреплению второго материала к керамической подложке. В некоторых случаях часть слоя второго материала может образовывать с нижележащей керамической подложкой химическую связь, такую как, например, интерметаллическая или интеркерамическая связь. Отпуск может повышать адгезию между подложкой и вторым материалом, а также твердость слоя второго материала, по меньшей мере на 5%, предпочтительно по меньшей мере на 10%. Кроме того, отпуск может создавать спеченную границу раздела, описанную выше.
Если отпуск осуществляется в содержащей кислород атмосфере, то поверхность или самый верхний подслой слоя второго материала, подвергающиеся воздействию кислорода, могут, по меньшей мере частично, окисляться. Таким образом, поверх слоя второго материала может быть образован слой оксида металла. Это может дополнительно увеличить твердость и/или температуру плавления и/или стойкость к коррозионной среде.
Лазер или сфокусированный пучок частиц (например, сфокусированный пучок ионов, сфокусированный пучок электронов) достаточной мощности могут быть использованы для изменения локализованных областей второго материала (и, возможно, слоя оксида металла) таким образом, чтобы они предпочтительно стали отличимыми от окружающих частей материала. В зависимости от конкретного материала, используемого в качестве второго материала, локализованные области могут нагреваться, разлагаться, окисляться, аблироваться и/или испаряться падающим лазерным излучением или пучком частиц. Таким образом, слой второго материала толщиной менее 10 мкм позволяет легко и быстро изменять эти локализованные области лазерным излучением или пучком частиц. Во время экспериментов оказалось, что точно кодировать информацию намного труднее, если использованы слои, простирающиеся на толщину 10 мкм. Однако, согласно другому аспекту настоящего изобретения, толщина слоя второго материала больше 10 мкм.
Обеспечение записываемой пластины с отпущенной керамической подложкой, покрытой слоем второго материала, как описано здесь, позволяет обеспечить на ней хранение информации, которое является очень стойким к влаге, электрическим/магнитным полям, кислотным, коррозионным веществам и т.д., так что кодированная записываемая пластина обеспечит долговечность, которая недоступна для других общепринятых носителей информации.
2
3
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
Предпочтительно, керамическая подложка в способе долговременного хранения информации содержит оксидную керамику, более предпочтительно керамическая подложка содержит по меньшей мере 90%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 95%, по массе одного из или сочетания AlO, TiO, SiO, ZrO, ThO, MgO, CrO, ZrO, VO или любого другого оксидного керамического материала. Эти материалы известны особой долговечностью при различных обстоятельствах и/или стойкостью к деградации под действием окружающей среды. Таким образом, эти материалы особенно пригодны для долговременного хранения при разных условиях. Особенно предпочтительно, чтобы керамическая подложка содержала один из или сочетание AlO, ZrO, ThO и/или MgO.
3
4
4
3
4
2
2
2
2
6
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
6
Предпочтительно, керамическая подложка содержит неоксидную керамику, более предпочтительно керамическая подложка содержит по меньшей мере 90%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 95%, по массе одного из или сочетания нитрида металла, такого как CrN, CrAlN, TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, AlN, VN, SiN, ThN, HfN, BN; карбида металла, такого как TiC, CrC, AlC, VC, ZrC, HfC, ThC, BC, SiC; борида металла, такого как TiB, ZrB, CrB, VB, SiB, ThB, HfB, WB, WB, и силицида металла, такого как TiSi, ZrSi, MoSi, WSi, PtSi, MgSi, или любого другого неоксидного керамического материала. Эти материалы известны особой долговечностью при различных обстоятельствах и/или стойкостью к деградации под действием окружающей среды. Таким образом, эти материалы особенно пригодны для долговременного хранения при разных условиях. Особенно предпочтительно, чтобы керамическая подложка содержала один из или сочетание BN, CrSi, SiC и/или SiB.
Предпочтительно, керамическая подложка содержит один из или сочетание Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с температурой плавления выше 1400°С. Предпочтительно, керамический материал и металл образуют с диспергированным в металле или металлическом сплаве керамическим материалом композит с металлической матрицей. Предпочтительно, металл составляет 5-30% по массе, предпочтительно 10-20% по массе керамической подложки, т.е. композита с металлической матрицей. Особенно предпочтительными композитами с металлической матрицей являются: WC/Co-Ni-Mo, BN/Co-Ni-Mo, TiN/Co-Ni-Mo и/или SiC/Co-Ni-Mo.
3
4
4
3
4
2
3
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
2
2
2
2
6
2
2
2
4
2
2
2
2
2
4
2
3
2
2
6
3
4
Предпочтительно, второй материал содержит по меньшей мере один из металла, такого как Cr, Co, Ni, Fe, Al, Ti, Si, W, Zr, Ta, Th, Nb, Mn, Mg, Hf, Mo, V; или керамического материала, такого как нитрид металла, такой как CrN, CrAlN, TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, AlN, VN, SiN, ThN, HfN, BN; карбид металла, такой как TiC, CrC, AlC, VC, ZrC, HfC, ThC, BC, SiC; оксид металла, такой как AlO, TiO, SiO, ZrO, ThO, MgO, CrO, ZrO, VO; борид металла, такой как TiB, ZrB, CrB, VB, SiB, ThB, HfB, WB, WB; силицид металла, такой как TiSi, ZrSi, MoSi, WSi, PtSi, MgSi; или любой другой керамический материал; причем предпочтительно второй материал содержит CrN и/или CrAlN. Эти материалы обеспечивают достаточные твердость и стойкость к деградации под действием окружающей среды. Дополнительно, упомянутые материалы могут обеспечить достаточный визуальный контраст с нижележащей керамической подложкой. Кроме того, эксперименты показали, что эти материалы сильно связываются с указанными выше подложками после их отпуска. Таким образом, может быть обеспечено долговечное, постоянное соединение между этими слоем и подложкой. Особенно предпочтительно, чтобы второй материал содержал один из или сочетание Co, Ni, BC, HfC, CrO, ZrB, CrB, SiB, SiN, ThN, CrN и/или CrAlN.
2
3
2
3
2
2
2
3
6
2
3
2
2
4
2
3
4
В контексте настоящего изобретения различные свойства материалов могут играть важную роль. Во-первых, материалы как подложки, так и слоя покрытия должны быть достаточно долговечными, стабильными и стойкими. Кроме того, требуется сильная связь или прочное соединение между слоем покрытия и материалом подложки. Дополнительно, слой второго материала должен быть пригоден для управления (манипуляции) одним или более из описанных здесь методов. Наконец, предпочтительно, чтобы с использованием этих двух материалов мог быть установлен достаточный контраст. Учитывая все эти ограничения, особенно предпочтительны следующие сочетания материалов: AlO/CrN, AlO/Co, ZrO/ZrB, AlO/SiC, SiB/CrO, SiC/HfC, BN/ZrB, BN/ZrB, BN/BC, BN/ThN и CrSi/SiN.
В общем, для покрывания керамической подложки слоем второго материала может быть использован любой метод, пригодный для обеспечения тонких покрытий, например, физическое осаждение из газовой фазы, распыление, химическое осаждение из газовой фазы или любой другой способ нанесения тонких пленок. Предпочтительно, для покрытия керамической подложки слоем второго материала используется физическое осаждение из газовой фазы (PVD). Это, в частности, позволяет надежно обеспечить очень тонкие слои покрытия, которые покрывают подложку непрерывно, без каких-либо дефектов, которые могли бы быть ошибочно интерпретированы как кодированная информация. Поскольку может быть трудным использовать PVD для некоторых из указанных выше материалов, предпочтительно, чтобы во время физического осаждения из газовой фазы керамическая подложка была расположена между источником второго материала и электропроводящей пластиной и/или проволочной сеткой. Пластина или сетка, расположенная за керамической подложкой, помогает направлять пары второго материала для его сцепления с (непроводящей) керамической подложкой.
Предпочтительно, слой второго материала имеет толщину не более 10 мкм, более предпочтительно не более 5 мкм, еще более предпочтительно не более 1 мкм, еще более предпочтительно не более 100 нм, еще более предпочтительно не более 10 нм.
За счет наличия тонкого слоя второго материала, удаление лазером или пучком частиц локализованных областей второго материала может быть осуществлено более быстро и эффективно. Кроме того, намного меньшие локализованные области могут быть изменены более точно, если слой второго материала является более тонким. Таким образом, может быть увеличено содержание информации на единицу площади.
Предпочтительно, отпуск покрытой керамической подложки включает в себя нагревание покрытой керамической подложки до температуры в диапазоне от 200°С до 4000°С, более предпочтительно в диапазоне от 1000°С до 2000°С. Процесс отпуска может содержать фазу нагрева с увеличением температуры на по меньшей мере 10 K в час, фазу плато при максимальной температуре в течение по меньшей мере 1 минуты и, наконец, фазу охлаждения с уменьшением температуры на по меньшей мере 10 K в час. Процесс отпуска может содействовать твердению керамической подложки и/или постоянному связыванию второго материала с керамической подложкой.
Предпочтительно, локализованные области записываемой пластины нагревают по меньшей мере до температуры плавления второго материала, так что локализованные области второго материала нагревают до температуры по меньшей мере 3000°С, еще более предпочтительно по меньшей мере 3200°С, наиболее предпочтительно по меньшей мере 3500°С, наиболее предпочтительно по меньшей мере 4000°С. Абляция лазером или пучком частиц локализованных областей записываемой пластины может открывать нижележащую керамическую подложку, приводя к (оптически) отличимому контрасту управляемой области относительно остальной части записываемой пластины.
Предпочтительно, лазер выполнен с возможностью генерировать лазерное излучение, имеющее длину волны в диапазоне от 10 нм до 30 мкм, предпочтительно в диапазоне от 100 нм до 2000 нм, более предпочтительно в диапазоне от 200 нм до 1500 нм.
Предпочтительно, испускаемое лазером лазерное излучение имеет минимальный диаметр фокального пятна не более 50 мкм, более предпочтительно не более 15 мкм, более предпочтительно не более 10 мкм, более предпочтительно 5 мкм, более предпочтительно не более 1 мкм, более предпочтительно не более 500 нм, более предпочтительно не более 100 нм. Малый диаметр фокального пятна позволяет кодировать информацию на записываемой пластине с более высокой плотностью.
Предпочтительно, для кодирования информации используется лазер сверхкоротких импульсов (фемтосекундные или аттосекундные импульсы). Это позволяет обеспечить минимальные диаметры фокального пятна не более 10 мкм и структуры шириной не более 5 мкм, более предпочтительно не более 1 мкм, более предпочтительно не более 500 нм, более предпочтительно не более 100 нм.
Предпочтительно, пучок частиц, испускаемый генерирующим сфокусированный пучок частиц оборудованием, имеет минимальный диаметр фокального пятна не более 5 мкм, более предпочтительно не более 1 мкм, более предпочтительно не более 100 нм, более предпочтительно не более 10 нм. Чрезвычайно малый диаметр фокального пятна позволяет кодировать информацию на записываемой пластине со сверхвысокой плотностью.
Предпочтительно, способ дополнительно включает этап считывания информации, закодированной на записываемой пластине, более предпочтительно с использованием цифрового сканера, растрового лазерного микроскопа или растрового электронного микроскопа.
Предпочтительно, информацию кодируют в аналоговом формате, более предпочтительно в человекочитаемом формате с использованием, наиболее предпочтительно, букв, символов, фотографий, рисунков, изображений, графики и/или других форм. Человекочитаемая информация имеет преимущество, состоящее в ее пригодности к использованию без помощи технологий.
Предпочтительно, информацию кодируют в компьютерно-читаемом формате, причем более предпочтительно информацию кодируют в цифровом формате, при этом еще более предпочтительно информацию кодируют в виде QR-кода и/или iQR-кода и/или любым другим способом цифрового кодирования и шифрования. Компьютерно-читаемая информация имеет преимущество, состоящее в хранении больших объемов данных в меньших областях, и может быть совместима с современными или будущими технологиями.
2
2
2
2
2
2
2
2
Предпочтительно, области записываемой пластины содержат по меньшей мере 1 килобайт информации на см, более предпочтительно по меньшей мере 10 килобайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 килобайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 1 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 10 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 1 гигабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 10 гигабайт информации на см. Большая плотность хранения информации позволяет обеспечить хранение больших количеств информации.
Согласно второму аспекту, изобретение относится к способу долговременного хранения информации, включающему этапы обеспечения вольфрамовой подложки; покрывания вольфрамовой подложки слоем второго материала, причем этот слой имеет толщину не более 10 мкм; отпуска покрытой подложки с образованием записываемой пластины; и кодирования информации на записываемой пластине с использованием, например, лазера или сфокусированного пучка частиц (например, сфокусированного пучка ионов, сфокусированного пучка электронов или т.п.) для управления локализованными областями записываемой пластины.
Поскольку сплавы Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с высокой температурой плавления выше 1400°С являются очень долговечными материалами, преимущества, описанные выше в отношении керамической подложки, могут быть также достигнуты с использованием сплавов Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с высокой температурой плавления выше 1400°С в качестве материала подложки. Все признаки, описанные выше в отношении использующего керамическую подложку способа по первому аспекту, могут быть также использованы в контексте второго аспекта настоящего изобретения просто посредством замены керамической подложки сплавами Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с высокой температурой плавления выше 1400°С в качестве подложки.
Согласно третьему аспекту, изобретение относится к носителю информации для долговременного хранения информации, содержащему записываемую пластину, содержащую керамическую подложку, покрытую слоем второго материала, и спеченную границу раздела между керамической подложкой и слоем второго материала, причем второй материал отличается от материала керамической подложки, причем спеченная граница раздела содержит по меньшей мере один элемент как из материала подложки, так и из второго материала, причем слой второго материала имеет толщину не более 10 мкм.
2
3
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
Предпочтительно, керамическая подложка носителя информации содержит оксидную керамику, более предпочтительно, керамическая подложка содержит по меньшей мере 90%, еще более предпочтительно по меньшей мере 95%, по массе одного из или сочетания AlO, TiO, SiO, ZrO, ThO, MgO, CrO, ZrO, VO или любого другого оксидного керамического материала.
3
4
4
3
4
2
2
2
2
6
2
2
2
4
2
2
2
2
2
Предпочтительно, керамическая подложка носителя информации содержит неоксидную керамику, более предпочтительно керамическая подложка содержит по меньшей мере 90%, еще более предпочтительно по меньшей мере 95%, по массе одного из или сочетания нитрида металла, такого как CrN, CrAlN, TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, AlN, VN, SiN, ThN, HfN, BN; карбида металла, такого как TiC, CrC, AlC, VC, ZrC, HfC, ThC, BC, SiC; борида металла, такого как TiB, ZrB, CrB, VB, SiB, ThB, HfB, WB, WB, и силицида металла, такого как TiSi, ZrSi, MoSi, WSi, PtSi, MgSi, или любого другого неоксидного керамического материала.
2
6
Особенно предпочтительно, чтобы керамическая подложка содержала один из или сочетание BN, CrSi, SiC и/или SiB.
Предпочтительно, керамическая подложка содержит один из или сочетание Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с температурой плавления выше 1400°С. Предпочтительно, керамический материал и металл образуют с диспергированным в металле или металлическом сплаве керамическим материалом композит с металлической матрицей. Предпочтительно, металл составляет 5-30% по массе, предпочтительно 10-20% по массе керамической подложки, т.е. композита с металлической матрицей. Особенно предпочтительными композитами с металлической матрицей являются: WC/Co-Ni-Mo, BN/Co-Ni-Mo, TiN/Co-Ni-Mo и/или SiC/Co-Ni-Mo.
3
4
4
3
4
2
3
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
2
2
2
2
6
2
2
2
4
2
2
2
2
2
Предпочтительно, второй материал носителя информации содержит по меньшей мере один из металла, такого как Cr, Co, Ni, Fe, Al, Ti, Si, W, Zr, Ta, Th, Nb, Mn, Mg, Hf, Mo, V, нитрида металла, такого как CrN, CrAlN, TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, AlN, VN, SiN, ThN, HfN, BN; карбида металла, такого как TiC, CrC, AlC, VC, ZrC, HfC, ThC, BC, SiC; оксида металла, такого как AlO, TiO, SiO, ZrO, ThO, MgO, CrO, ZrO, VO; борида металла, такого как TiB, ZrB, CrB, VB, SiB, ThB, HfB, WB, WB; силицида металла, такого как TiSi, ZrSi, MoSi, WSi, PtSi, MgSi; или любого другого керамического материала; причем предпочтительно второй материал содержит CrN и/или CrAlN.
Предпочтительно, слой второго материала имеет толщину не более 10 мкм, более предпочтительно не более 5 мкм, еще более предпочтительно не более 1 мкм, еще более предпочтительно не более 100 нм, еще более предпочтительно не более 10 нм.
Предпочтительно, носитель информации дополнительно содержит информацию, закодированную на записываемую пластину в виде локализованных областей второго материала, которые предпочтительно являются отличимыми от окружающего второго материала. Записываемая пластина может долговременно храниться с закодированной на ней информацией или без закодированной на ней информации.
Предпочтительно, локализованные области второго материала обработаны лазером или пучком частиц. Абляция второго материала лазером или пучком частиц может полностью удалять его из локализованных областей. Это может обеспечить (оптически) отличимый контраст между управляемыми областями и окружающим вторым материалом.
Предпочтительно, информация распределена на записываемой пластине в информационных блоках, причем каждый блок является не большим, чем 100 мм × 100 мм, более предпочтительно не большим, чем 24 мм × 36 мм, более предпочтительно не большим, чем 10 мм × 10 мм, более предпочтительно не большим, чем 1 мм × 1 мм, более предпочтительно не большим, чем 0,1 мм × 0,1 мм. Информационные блоки могут помогать организовать информацию и представить ее способом, легко считываемым цифровым сканером.
2
2
2
2
2
2
2
2
Предпочтительно, области записываемой пластины содержат по меньшей мере 1 килобайт информации на см, более предпочтительно по меньшей мере 10 килобайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 килобайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 1 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 10 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 1 гигабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 10 гигабайт информации на см. Обеспечение высокой плотности информации на записываемой пластине позволяет хранить больше информации на каждой пластине и может уменьшить производственные затраты.
Предпочтительно, керамическая подложка имеет форму пластинки или компьютерно-читаемого диска. Форма пластинки или компьютерно-читаемого диска может позволить компьютерам или цифровым сканерам легко считывать кодированную информацию и совместима с существующими системами сканирования.
Согласно четвертому аспекту, изобретение относится к носителю информации для долговременного хранения информации, содержащему записываемую пластину, содержащую вольфрамовую подложку, покрытую слоем второго материала, и спеченную границу раздела между вольфрамовой подложкой и слоем второго материала, причем второй материал отличается от материала подложки, причем спеченная граница раздела содержит по меньшей мере один элемент как из материала подложки, так и из второго материала, причем слой второго материала имеет толщину не более 10 мкм.
Поскольку сплавы Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с высокой температурой плавления выше 1400°С являются очень долговечными материалами, преимущества, описанные выше в отношении керамической подложки, могут быть также достигнуты с использованием сплавов Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с высокой температурой плавления выше 1400°С в качестве подложки. Все признаки, описанные выше в отношении использующего керамическую подложку носителя информации по третьему аспекту, могут быть также использованы в контексте четвертого аспекта настоящего изобретения просто посредством замены керамической подложки сплавами Ni, Cr, Co, Fe, W, Mo или других металлов с высокой температурой плавления выше 1400°С в качестве подложки.
Согласно пятому аспекту, изобретение относится к применению носителя информации для долговременного хранения информации.
Предпочтительно, при применении записываемую пластину хранят в течение периода времени по меньшей мере 1000 лет, более предпочтительно по меньшей мере 10000 лет, еще более предпочтительно по меньшей мере 100000 лет.
Объекты изобретения будут объяснены более подробно в нижеследующем тексте со ссылкой на предпочтительные примерные варианты осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг. 1 схематично показывает носитель информации для долговременного хранения информации;
Фиг. 2 схематично показывает пример процесса нанесения покрытия на керамическую подложку методом физического осаждения из газовой фазы;
Фиг. 3 схематично показывает вид в перспективе примера кодирования на записываемой пластине информации с использованием лазера; и
Фиг. 4 показывает фотографию записанного изделия согласно одному примеру.
В принципе, идентичные части снабжены на фигурах одинаковыми позициями.
Фиг. 1 показывает схематичную версию носителя 100 информации по настоящему изобретению. Носитель 100 информации включает в себя записываемую пластину 110. В этом примере на записываемой пластине 110 закодирована информация 120.
Для изготовления такого носителя 100 информации здесь описывается способ долговременного хранения информации. Сначала обеспечивают керамическую подложку 150 (см. фиг. 3), затем керамическую подложку 150 покрывают слоем второго материала 170. Слой второго материала 170 имеет толщину не более 50 мкм. После нанесения покрытия керамическую подложку 150 и второй материал 170 подвергают процессу отпуска с образованием записываемой пластины 110. Записываемая пластина может либо храниться до тех пор, пока не появится готовность ее использовать, либо затем на ней может быть закодирована информация 120 с использованием, например, лазера 190. Лазер 190 направляется на слой второго материала 170 и затем, например, нагревает локализованные области второго материала 170, которые попадают в пределы пятна лазерного луча, так что эти локализованные области затем становятся, например, оптически отличимыми от окружающего второго материала 170. Этот способ будет теперь описан более подробно.
2
3
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
3
4
4
3
4
2
2
2
2
6
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
3
Керамическая подложка 150, которую берут сначала, может составлять по массе большую часть материала записываемой пластины 110. Для керамической подложки 150 может быть использован ряд различных материалов. В некоторых конфигурациях керамическая подложка 150 содержит оксидную керамику, содержащую по меньшей мере один из AlO, TiO, SiO, ZrO, ThO, MgO, CrO, ZrO, VO или любого другого оксидного керамического материала. Альтернативно, керамическая подложка может содержать неоксидную керамику, содержащую по меньшей мере один из нитрида металла, такого как CrN, CrAlN, TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, AlN, VN, SiN, ThN, HfN, BN; карбида металла, такого как TiC, CrC, AlC, VC, ZrC, HfC, ThC, BC, SiC; борида металла, такого как TiB, ZrB, CrB, VB, SiB, ThB, HfB, WB, WB, и силицида металла, такого как TiSi, ZrSi, MoSi, WSi, PtSi, MgSi, или любого другого неоксидного керамического материала. Количество присутствующей оксидной или неоксидной керамики может варьироваться. Предпочтительно, количество оксидной или неоксидной керамики составляет по меньшей мере 90% по массе керамической подложки 150. Более предпочтительно, количество оксидной или неоксидной керамики составляет по меньшей мере 95% по массе керамической подложки 150. Одной предпочтительной конфигурацией является керамическая подложка 150, содержащая по меньшей мере 90% AlO, измеренного по массе.
3
4
4
3
4
2
3
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
2
2
2
2
6
2
2
2
4
2
2
2
2
2
Второй материал 170 формируют в виде слоя на керамической подложке 150. Слой второго материала 170 является тонким слоем по сравнению с толщиной керамической подложки 150, причем слой второго материала 170 имеет толщину самое большее 50 мкм. Второй материал 170 может, в принципе, содержать по меньшей мере один из металла, такого как Cr, Co, Ni, Fe, Al, Ti, Si, W, Zr, Ta, Th, Nb, Mn, Mg, Hf, Mo, V, нитрида металла, такого как CrN, CrAlN, TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, AlN, VN, SiN, ThN, HfN, BN; карбида металла, такого как TiC, CrC, AlC, VC, ZrC, HfC, ThC, BC, SiC; оксида металла, такого как AlO, TiO, SiO, ZrO, ThO, MgO, CrO, ZrO, VO; борида металла, такого как TiB, ZrB, CrB, VB, SiB, ThB, HfB, WB, WB; силицида металла, такого как TiSi, ZrSi, MoSi, WSi, PtSi, MgSi, или любого другого керамического материала; причем предпочтительно второй материал содержит CrN и/или CrAlN.
Одной предпочтительной конфигурацией является слой второго материала 170, содержащий в основном CrN и/или CrAlN. Важно, чтобы материал, используемый для второго слоя 170, обеспечивал достаточную степень, например, оптического контраста с материалом керамической подложки 150 после отпуска.
Степень оптического контраста может быть видимой человеку-наблюдателю по цвету и/или яркости. Альтернативно, оптический контраст может детектироваться автоматизированной системой на невидимых длинах волн. В таком случае локализованные области могут быть оптически отличимыми посредством оптического считывателя или сканера, чувствительного в соответствующей области спектра. Оптический контраст может быть измерен с использованием контраста Вебера, причем доля контраста Вебера кодированной на записываемой пластине информации предпочтительно составляет по меньшей мере 1%, более предпочтительно по меньшей мере 3%, более предпочтительно по меньшей мере 5%. Однако, в других примерах (в частности, если кодированные структуры слишком малы) локализованные области могут быть отличимыми от окружающего материала только посредством, например, растрового электронного микроскопа или измерения изменения другого физического параметра.
Фиг. 2 показывает примерный способ нанесения второго материала 170 на керамическую подложку 150 с использованием физического осаждения из газовой фазы (PVD). В процессе PVD керамическую подложку 150 помещают в камеру физического осаждения из газовой фазы вместе с источником 160 второго материала. Создают вакуум в камере физического осаждения из газовой фазы и нагревают источник 160 второго материала до тех пор, пока значительная часть содержащегося в нем второго материала 162 не испарится или не сублимируется. Находящиеся в воздухе частицы 164 второго материала затем распределяются по всей камере физического осаждения из газовой фазы до тех пор, пока они не вступят в контакт с поверхностью 152 керамической подложки 150 и не сцепятся с ней.
Хотя физическое осаждение из газовой фазы является способом, используемым обычно для нанесения покрытий на металлические подложки, нанесение покрытия на керамические подложки может оказаться проблематичным в отношении сцепления частиц с ними. Таким образом, для улучшения сцепления частиц 164 второго материала с поверхностью 152 керамической подложки может быть размещена проводящая проволочная сетка или проводящая металлическая пластина 180 на дальней стороне от керамической подложки 150, так что керамическая подложка 150 расположена между проволочной сеткой 180 и источником 160 второго материала. Такая проводящая сетка/пластина 180, когда она проводит электрический ток, может притягивать ионизированные частицы второго материала 164, которые затем сталкиваются с поверхностью 152 керамической подложки 150 и удерживаются на ней таким образом, что они затем сцепляются с поверхностью 152 керамической подложки. Этот процесс нанесения покрытия может также повторяться для покрывания множественных разных поверхностей керамической подложки.
Осаждение слоя второго материала 170 на керамическую подложку 150 может быть осуществлено с использованием других способов нанесения покрытий, таких как распыление или нанесение многослойных покрытий возгонкой. По существу, может быть использован любой способ, способный создать слой второго материала 170 с максимальной толщиной 50 мкм. Предпочтительно, слой второго материала может иметь максимальную толщину 10 мкм. Более предпочтительно, второй материал 170 может иметь максимальную толщину 5 мкм. Еще более предпочтительно, второй материал 170 может иметь максимальную толщину 1 мкм, еще более предпочтительно не более 100 нм, еще более предпочтительно не более 10 нм. Тонкий слой второго материала 170 может быть выгоден тем, что в таком случае может быть более легкой абляция лазером или пучком частиц записываемой пластины 110, что обеспечивает в результате более быстрый, менее энергоемкий процесс кодирования. Второй материал 170 не обязательно должен покрывать всю керамическую подложку 150. Вместо этого, только части керамической подложки 150 или одна сторона 152 керамической подложки 150 могут быть покрыты вторым материалом 170.
После того, как керамическая подложка 150 покрыта вторым материалом 170, покрытую керамическую подложку подвергают процессу отпуска. Под отпуском обычно понимают процесс, который улучшает прочность и/или другие качества материала. В случае керамик отпуск может включать в себя нагревание керамического предмета таким образом, чтобы его химические компоненты претерпевали химические и/или физические изменения, так что этот предмет становится более прочным или твердым. Отпуск покрытой керамической подложки может включать в себя нагревание покрытой керамической подложки 150 до температуры в диапазоне от 200°С до 4000°С, предпочтительно в диапазоне от 1000°С до 2000°С. Процесс отпуска может содержать фазу нагрева с увеличением температуры на по меньшей мере 10 K в час, фазу плато при максимальной температуре в течение по меньшей мере 1 минуты и, наконец, фазу охлаждения с уменьшением температуры на по меньшей мере 10 K в час. Процесс отпуска может содействовать постоянному прикреплению второго материала 170 к керамической подложке 150. В некоторых случаях часть слоя второго материала 170 может образовывать химическую связь с нижележащей керамической подложкой 150. После отпуска керамической подложки 150 со вторым материалом 170 образуется записываемая пластина 110. Свойства записываемой пластины 110 определяются именно материалами, используемыми в записываемой пластине 110. Записываемая пластина 110 может теперь храниться или непосредственно кодироваться информацией 120.
Фиг. 3 показывает кодирование информации на записываемой пластине 110. Во время кодирования лазер 190 направляет коллимированное лазерное излучение на слой второго материала 170 записываемой пластины 110. Лазерный луч изменяет часть второго материала 170 в пределах локализованной области 175 таким образом, что она является (оптически) отличимой от окружающего второго материала 170. Предпочтительно, лазерный луч или сфокусированный пучок частиц нагревает локализованную область 175 второго материала 170 до по меньшей мере температуры плавления второго материала 170. Температура плавления второго материала 170 зависит от его химического состава. Предпочтительно, нагревание локализованных областей 175 свыше температуры плавления может включать в себя нагрев локализованных областей до температуры по меньшей мере 3000°С, более предпочтительно по меньшей мере 3200°С, а еще более предпочтительно по меньшей мере 3500°С, наиболее предпочтительно по меньшей мере 4000°С. Придание этим локализованным областям столь высоких температур может вызывать быстрое расширение второго материала 170 в локализованных областях 175. Это быстрое расширение может вызывать абляцию и/или испарение второго материала 170 в локализованных областях 175. Так как второй материал 170 обеспечивает оптический контраст с нижележащей керамической подложкой 150, локализованные области 175 могут быть образованы лазерным лучом или сфокусированным пучком частиц в виде символов, букв, линий, фотографий, рисунков, изображений, графики или других форм, тем самым кодируя информацию в записываемую пластину 110. Предпочтительно, кодированная информация 120 относительно остальной части второго материала 170 имеет долю контраста Вебера по меньшей мере 1%, более предпочтительно по меньшей мере 3%, более предпочтительно по меньшей мере 5%. В предпочтительной конфигурации второй материал 170 после отпуска имеет непрозрачный серый/черный цвет, и керамическая подложка 150 имеет желтый/белый цвет. Таким образом, после кодирования лазером или сфокусированным пучком частиц носитель 100 информации имеет белые буквы/символы на темном фоне.
2
Пригодные для способов лазерного кодирования длины волн лазера могут включать длину волны в диапазоне от 10 нм до 30 мкм, предпочтительно в диапазоне от 100 нм до 2000 нм, более предпочтительно в диапазоне от 200 нм до 1500 нм. Очень важным является минимальный диаметр фокального пятна лазерного излучения или сфокусированного пучка частиц, который определяет минимальный размер символов, букв, фотографий, рисунков, изображений, графики и/или других форм, которые могут быть закодированы на записываемой пластине 110. Предпочтительно, лазер или сфокусированный пучок 190 частиц способен фокусировать лазерное излучение или сфокусированный пучок частиц до минимального диаметра фокального пятна не более 50 мкм, предпочтительно не более 15 мкм, более предпочтительно не более 10 мкм. При таких условиях возможно разрешение 2500 точек на дюйм, позволяющее обеспечить кодирование 5000 символов/букв на площади 1 см. Это может также обеспечить возможность печатать 1000 страниц книги (~2 миллиона символов/букв) с 2000 букв на страницу на одной единственной записываемой пластине размерами 20 см × 20 см.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Считывание кодированного текста может осуществляться глазом, если буквы/символы достаточно велики. Предпочтительно, кодированная информация может быть считана посредством использования цифрового сканера с использованием таких способов, как оптическое распознавание знаков (OCR от англ. optical character recognition), помимо прочих способов. Такой цифровой сканер может быстро и точно воспроизводить кодированную информацию в размере, более доступном для чтения человеком. Как упомянуто выше, информация 120 может быть закодирована на записываемой пластине 110 с использованием ряда разных форматов. Информация 120 может быть закодирована в человекочитаемом формате с использованием букв, символов, фотографий, рисунков, изображений, графики и/или других форм. Информация 120 может быть закодирована в компьютерно-читаемом формате с использованием, например, QR-кода или iQR-кода и/или любого другого способа цифрового кодирования и шифрования. Использование таких способов компьютерно-считываемого кодирования может служить дополнительному увеличению плотности информации на носителе 100 информации. Например, iQR-код может позволять хранить 40000 знаков в пределах 1 см, или, эквивалентно, 8-16 мегабайт на записываемой пластине размерами 20 см × 20 см. Предпочтительно, записываемая пластина может хранить минимум 1 килобайт информации на см, более предпочтительно по меньшей мере 10 килобайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 килобайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 1 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 10 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 мегабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 1 гигабайт информации на см, еще более предпочтительно по меньшей мере 10 гигабайт информации на см.
Для легкости считывания и/или сканирования информация может быть закодирована на записываемой пластине в отдельных блоках. Эти блоки информации, указанные как В на фиг. 1, предпочтительно являются не большими, чем 100 мм на 100 мм, более предпочтительно не большими, чем 24 мм на 36 мм, более предпочтительно не большими, чем 10 мм на 10 мм, более предпочтительно не большими, чем 1 мм на 1 мм, более предпочтительно не большими, чем 0,1 мм на 0,1 мм.
Форма записываемой пластины 110 может определяться потребностями пользователя и типами подлежащей кодированию информации 120. В некоторых примерах записываемая пластина 110 может быть выполнена в форме пластинки для хранения, предпочтительно не большей, чем 200 мм на 200 мм, более предпочтительно не большей, чем 100 мм на 100 мм, более предпочтительно не большей, чем 10 мм на 10 мм. В других примерах может быть предпочтительной форма компьютерно-читаемого диска с диаметром не более 30 см, более предпочтительно не более 12 см, более предпочтительно не более 8 см.
Носитель 100 информации согласно настоящему изобретению является стойким к деградации под действием окружающей среды и предпочтительно может выдерживать температуры от -273°С (0 K) до 1200°С без потери информации. Носитель 100 информации может также выдерживать электромагнитные импульсы, повреждение водой, коррозию, кислоты и/или другие химические вещества. Предполагается, что описанный здесь носитель 100 информации сможет хранить информацию 120 в течение периода времени по меньшей мере 1000 лет, предпочтительно по меньшей мере 10000 лет, более предпочтительно по меньшей мере 100000 лет. При определенных условиях хранения, включая хранение носителя 100 информации в подземном соляном куполе, носитель информации может быть способным хранить информацию в течение по меньшей мере 1 миллиона лет.
Один особенно предпочтительный пример будет описан ниже.
2
3
В качестве исходного материала использовали имевшую размеры 20 см × 20 см керамическую подложку, выполненную из материала Rubalit 708s, содержащего по меньшей мере 96% AlO и доступного в компании CeramTec GmbH (Германия).
Пластину упомянутой керамической подложки, имевшую размер 10 см × 10 см и толщину 1 мм, покрыли слоем CrN с использованием физического осаждения из газовой фазы. Для этой цели керамическую пластину установили на изготовленную из стали электропроводящую пластину с размером 10 см × 10 см. Керамическую пластину вместе с электропроводящей пластиной поместили в установку физического осаждения из газовой фазы, доступную от компании Oerlikon Balzers AG (Лихтенштейн).
Затем осуществили физическое осаждение из газовой фазы с использованием усовершенствованного процесса распыления BALI-NIT CNI от компании Oerlikon Balzers AG при температуре процесса ниже 250°С.
После осаждения слой CrN с постоянной толщиной 3 мкм присутствовал на одной стороне керамической подложки (противоположной стороне, обращенной к электропроводящей пластине).
Затем покрытую керамическую подложку отпускали в печи периодического действия модели «N 150/H», доступной от компании Nabertherm GmbH. Для отпуска температуру повышали от комнатной температуры (20°С) до 1000°С в течение 2 ч. Далее температуру увеличивали со скоростью 100 K/ч с 1000°С до 1200°С, и максимальную температуру 1200°С поддерживали в течение 5 мин. Затем подложку охлаждали со скоростью -200 K/ч в течение 6 ч.
2
3
После отпуска пакет материалов содержал керамическую подложку, слой покрытия из CrN с толщиной примерно 2-2,5 мкм и дополнительный слой оксида металла CrO с толщиной примерно 0,5-1 мкм. Подобные слои оксида металла были описаны в работе Z.B. Qi и др. (Thin Solid Films 544 (2013), 515-520).
Поверхность оксида металла имела темноватый, почти черный внешний вид.
С использованием лазера ProMarker 100, доступного от компании Trotec Laser GmbH (Австрия), в два верхних покрытия записали текст с однолинейным шрифтом и QR-код. Для этой цели с частотой 20 кГц подавали импульсы длительностью 100 нс на длине волны 1064 нм с максимальной мощностью 5 Вт.
Лазерное излучение фокусировали линзой с фокусным расстоянием 100 мм. Фокусное пятно лазерного излучения имело ширину примерно 25 мкм, обеспечивающую кодированную структуру с шириной примерно 15 мкм или микронадпись с разрешением 1750 точек на дюйм.
Кодированные линии/поверхности имели светлый, почти белый внешний вид и были ясно видны на фоне темной окружающей поверхности оксида металла. Фотография, показывающая детали записанного изделия, показана на фиг. 4.
Хотя изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в приведенном выше описании, такие иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; поэтому изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а формы единственного числа не исключают множественного числа и могут означать «по меньшей мере один».