ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ СО СВЕРХВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ

Полезная модель относится к прикладной науке и технике, а именно к устройствам для записи и хранения информации, и может быть использована для замены обычных магнитных и оптических накопителей информации, в частности, в компьютерной технике.
Известны устройства для записи информации на магнитном носителе, принцип работы которых основан на намагничивании частиц из магнитного материала. Такие устройства применяются в настоящее время в картах с магнитной полосой, имеющих возможности хранения и изменения данных в магнитной полосе. Основной недостаток известных устройств заключается в невысокой плотности информации, обусловленный относительно большими размерами элементов для записи информации - частиц магнитного материала (порядка нескольких микрон).
Указанного недостатка лишены устройства для записи информации, на основе оптической записи информации. Наиболее распространенным устройством такого типа является компакт-диск (оптический диск), который представляет собой поликарбонатную пластину диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм, покрытую слоем активного материала. Основание пластины является одной спиральной дорожкой, шаг которой равен 1,6 мкм. Информация на спиральной дорожке записывается с помощью сфокусированного излучения лазера, воздействие которого приводит к изменению отражающей способности участков поверхности диска. При использовании органического активного материала запись осуществляется путем разрушения химических связей материала, что приводит к его потемнению и изменению его отражательной способности. Основной недостаток известного устройства заключается в невысокой плотности информации, связанной с относительно большим размером области фокусировки лазерного излучения (чуть меньше длины волны используемого лазерного излучения), определяемый законами волновой оптики, что объясняет естественный предел информационной емкости оптических дисков. Плотность хранения информации оптических дисков можно повысить путем уменьшения длины волны записывающего лазерного излучения, переходя из инфракрасной в видимую и затем в ультрафиолетовую области спектра, что и осуществляется в настоящее время. Однако таким путем пока удалось уменьшить размер области фокусировки, а значит и элемента для записи информации, не более чем в два раза - до нескольких сотен нанометров.
Этого недостатка лишен элемент для записи информации, основанный на формировании в активном материале элементарного участка с измененной отражающей способностью на основе использования поверхностных плазмонов (S. Park, J.W. Hahn. Plasmonic data storage medium with metallic nano-aperture array embedded un dielectric material // Optical Express, 2009. V. 17, N. 22. Р. 20203-20210), выбранный в качестве прототипа. Известный элемент состоит из прозрачного предохранительного слоя, нанесенного на металлическую пленку с наноотверстием, расположенной на пленке из активного материала, нанесенной на подложку.
Известный элемент работает следующим образом. Запись информации производится с помощью сфокусированного лазерного луча с длиной волны 405 нм, который падает на элемент со стороны прозрачного предохранительного слоя перпендикулярно его поверхности. Лазерное излучение проходит сквозь прозрачный предохранительный слой и облучает металлическую пленку с наноотверстием в форме бабочки с перетяжкой в центре. В месте сужения отверстия возникает локальное усиление электромагнитного поля, поперечный размер которого сопоставим с размером перетяжки наноотверстия в металлической пленке. Воздействие этого излучения на пленку из активного материала приводит к разрушению химических связей активного материала и его потемнению. Таким образом, известный элемент записывает информацию путем формирования в пленке активного материала наноразмерной области, отличающейся от остальной части пленки активного материала другой отражающей способностью. В известном элементе прозрачный предохранительный слой толщиной 100 нм выполнен из стекла. Металлическая пленка с наноотверстием толщиной 100 нм изготовлена из алюминия, диаметр наноотверстия составляет от 30 до 80 нм. Пленка из активного материала толщиной 20 нм изготовлена из материала GeSbTe. Подложка толщиной 20 нм выполнена из стекла.
Основной недостаток известного элемента заключается в низкой эффективности преобразования мощности падающего лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала. Это приводит к необходимости использования для записи лазерных источников большой мощности, что повышает стоимость самой записи и увеличивает вероятность выхода известного элемента из строя из-за его перегрева лазерным излучением.
Задачей полезной модели является повышение эффективности преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала.
Поставленная задача решается элементом для записи информации со сверхвысокой плотностью, который состоит из прозрачного предохранительного слоя, выполненного в виде фотонного кристалла, нанесенного на металлическую пленку с наноотверстием, расположенной на пленке из активного материала, нанесенной на подложку.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства.
Элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью состоит из прозрачного предохранительного слоя (1), выполненного в виде фотонного кристалла, нанесенного на металлическую пленку с наноотверстием (2), расположенной на пленке из активного материала (3), нанесенной на подложку (4).
Достижение заявленного технического результата, а именно повышение эффективности преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала, происходит за счет повышения эффективности преобразования интенсивности лазерного излучения в интенсивность стоячих волн между поверхностью металлической пленки с наноотверстием и внешней поверхностью предохранительного слоя. Технически это достигается тем, что прозрачный предохранительный слой выполнен в виде фотонного кристалла.
Элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью работает следующим образом. Запись информации производится с помощью сфокусированного лазерного луча, который падает на элемент со стороны прозрачного предохранительного слоя (1), выполненного в виде фотонного кристалла, перпендикулярно его поверхности. Лазерное излучение проходит сквозь прозрачный предохранительный слой (1) и, благодаря тому, что он выполнен в виде фотонного кристалла, создает на поверхности металлической пленки с наноотверстием (2) высокоинтенсивные стоячие волны. В результате этого в наноотверстии металлической пленки с наноотверстием (2) возникает область высокой фокусировки лазерного излучения, поперечный размер которой сопоставим с диаметром наноотверстия. Воздействие этого излучения на пленку из активного материала (3), расположенной на подложке (4), приводит к разрушению химических связей активного материала и его потемнению. Таким образом, элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью записывает информацию путем формирования в пленке активного материала (3) наноразмерной области, отличающейся от остальной части пленки активного материала (3) другой отражающей способностью.
В отличие от прототипа, прозрачный предохранительный слой (1) не является оптически однородным, а выполнен в виде фотонного кристалла, что позволяет повысить эффективность преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала.
2
2
Конкретная техническая реализация заявляемого элемента для записи информации со сверхвысокой плотностью, а именно, его характерные размеры, материалы прозрачного предохранительного слоя, выполненного в виде фотонного кристалла, металлической пленки с наноотверстием, пленки из активного материала и подложки являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи, требуемой точности и чувствительности. Прозрачный предохранительный слой, выполненный в виде фотонного кристалла, может быть изготовлен из диэлектрических слоев с переменными показателями преломления: высоким, например, из материала TiO и низким, например, из материал MgF. Количество слоев фотонного кристалла может составлять от 2 и до 18. Металлическая пленка с наноотверстием может быть изготовлена из алюминия, диаметр наноотверстия может составлять от 30 до 80 нм. Наноотверстие может быть выполнено в форме «бабочки» с перетяжкой в центре. Изготовление наноотверстия может быть выполнено ионным пучком или с помощью технологии наноимпринтинга (http://www.nilt.com). Пленка из активного материала может быть изготовлена из материала GeSbTe.
2
2
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант элемента для записи информации со сверхвысокой плотностью. В экспериментах использовалось сфокусированное лазерное излучение с длиной волны 405 нм и мощностью около 1 мВт. Прозрачный предохранительный слой был выполнен в виде фотонного кристалла путем нанесения диэлектрических слоев с переменными показателями преломления n: высоким из материала TiO (n=2.23) и низким из материал MgF (n=1.38). Металлическая пленка с наноотверстием имела толщину 100 нм и была изготовлена из алюминия. Диаметр отверстия, которое было изготовлено путем облучения металлической пленки ионами, составлял 50 нм. Форма отверстия круглая. В эксперименте было показано, что в случае, когда прозрачный предохранительный слой выполнен в виде фотонного кристалла, интенсивность излучения в области наноотверстия увеличивается в 30 раз. Такое увеличение подтверждено также нашими теоретическими расчетами (I.V. Treshin, V.V. Klimov, P.N. Melentiev and V.I. Balykin, "Optical Tamm state and extraordinary light transmission trough a nanoaperture", Physical Review A, V. 88, P. 023832 (2013)). Проведенные эксперименты показали, что для получения подобной области в пленке из активного материала в случае использования однородного прозрачного предохранительного слоя, выполненного не в виде фотонного кристалла, мощность лазерного излучения должна составлять 30 мВт, что в 30 раз выше, чем в случае применения элемента для записи информации со сверхвысокой плотностью.
Таким образом, созданный элемент для записи информации со сверхвысокой плотностью, позволил достичь заявленного технического результата, а именно повысить эффективность преобразования мощности сфокусированного лазерного излучения в мощность излучения в наноотверстии на поверхности пленки из активного материала.