способ записи информации на халькогенидной пленке

Формула изобретения

1. Способ записи информации на аморфной халькогенидной пленке, включающий воздействие излучения с энергией больше ширины запрещенной зоны, отличающийся тем, что используют пленку на основе халькогенидов германия и галлия, которую получают методом импульсного лазерного напыления.

2. Способ записи информации на аморфной халькогенидной пленке по п.1, отличающийся тем, что для записи информации используют излучение с длиной волны от 310 до 400 нм и мощностью от 10 до 200 мВт/см².

3. Способ записи информации на аморфной халькогенидной пленке по п.1, отличающийся тем, что напыление осуществляют с помощью импульсного эксимерного лазера с энергией в импульсе 0.01-0.04 Дж.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптической записи информации и применимо для создания голографических оптических элементов.

Известен способ записи информации на халькогенидной пленке, основанный на фотоиндуцированном фазовом переходе: аморфное состояние - кристаллическое состояние (US 3530441, JP 63029333). Однако пленки, в которых возможно реализовать данный эффект, имеют ширину запрещенной зоны много меньше 1 эВ, поэтому они не прозрачны в видимом диапазоне и могут использоваться только в системах, основанных на считывании отраженного сигнала. Кроме того, кристаллизация пленки приводит к сильному рассеянию света, вследствие чего данный способ записи мало пригоден для голографической записи.

Известен способ записи информации на двухслойной пленке (металлический слой/слой халькогенидного стекла), основанный на фотоиндуцированной диффузии ионов металла (например, Ag) в слой халькогенидного стекла (US 3637381, US 3637383).

Недостатками данного способа являются длительность процесса записи и деградация изображения во времени, обусловленная темновой диффузией ионов металла в стекле.

Известен ряд способов оптической записи информации на халькогенидной пленке, основанные на фотоструктурных превращениях. К ним относятся, например, создание рельефа в пленке за счет разницы в скорости травления облученной и необлученной частей пленки, использование пленки как фоторезиста (а.с. СССР 1611119). К недостаткам этого способа относится сложность и длительность по крайней мере двухступенчатого процесса и потеря контрастности за счет сложности управления процессом травления.

Известен способ, использующий разницу в показателе преломления и ширины запрещенной зоны облученной и необлученной частей пленки (US 3923512, GB 1387177, WO 03023774, JP 59193452). На самых лучших образцах достигается изменение показателя преломления, не превышающее 0.2 и изменение ширины запрещенной зоны не более 100 нм.

В основу изобретения положена задача создания способа записи информации, в котором за счет использования пленки на основе халькогенидов германия и галлия, полученной методом напыления, подвергаемой воздействию излучения с энергией более ширины запрещенной зоны, получают высококонтрастную запись информации, которая не требует дополнительной обработки (травления), что значительно удешевляет процесс записи информации, а также повышает разрешающую способность.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в способе записи информации на аморфной халькогенидной пленке, включающем воздействие лазерного излучения с энергией больше ширины запрещенной зоны, используют пленку на основе халькогенидов германия и галлия, которую получают методом импульсного лазерного напыления.

Запись производится одностадийно и не требует повышения контраста вследствие резкого изменения показателя преломления (0.3) и сдвига положения края фундаментального поглощения (120 нм) для облученной области.

Высокий контраст получают за счет реализации в облученных областях пленки процесса фотоиндуцированного окисления, приводящего к образованию М-O (M=Ge, Ga) химических связей. Данный процесс реализуется вследствие: использования пленки на основе халькогенидов германия и галлия; получения пленки методом импульсного лазерного напыления; использования энергии облучения больше ширины запрещенной зоны.

Считывание записи может осуществляться как в режиме отражения, так и в режиме пропускания в широком диапазоне длин волн (от видимого до инфракрасного).

Изобретение поясняется с помощью фиг.1-4. На фиг.1 показана зависимость спектрального положения фундаментального края поглощения пленок от скорости их напыления. Точки - эксперимент, линия - для наглядности характера зависимости. На фиг.2а приведена зависимость фотоиндуцированного сдвига фундаментального края поглощения пленки от положения края поглощения пленки до облучения, а на фиг.2б - зависимость фотоиндуцированного изменения показателя преломления пленки от значения показателя преломления пленки до облучения. На фиг.3 показана зависимость положения края поглощения пленки от времени облучения. (Точки - эксперимент, линия - аппроксимация в предположении реакции первого порядка). На фиг.4 показана фотография пленки после облучения ее через сетку.

Для напыления в качестве мишени использовалось стекло состава у[xGa ₂S₃-(1-x)GeS₂ ]-(1-y)Er₂S₃.

Пленки напылялись в вакууме (10^-4 мм рт.ст.) с помощью XeCl эксимерного лазера (длина волны 308 нм, длительность импульсов 20 нс, интервал между импульсами 100 мс, энергия в импульсе 0.01-0.04 Дж).

Состав пленок контролировался с помощью растрового электронного микроскопа с микроанализатором. Толщина пленки и показатель преломления измерялись с помощью интерференционного микроскопа.

Запись информации на пленку производилась с использованием ртутной лампы или N ₂-лазера (длина волны 337 нм).

При лазерном напылении состав пленок практически не зависел от условий напыления (контролировалось содержание Er, Ga, Ge) и совпадал с составом мишени. В то же время, ряд свойств, как, например, ширина запрещенной зоны и показатель преломления напыленных пленок, зависели от условий напыления. Край фундаментального поглощения пленки (при коэффициенте поглощения 10⁴ см^-1 ) напыленной на холодную (без дополнительного подогрева) подложку сдвигался относительно исходного стекла в область больших энергий, в то время как напыление на подогретую подложку приводило к обратному эффекту - сдвигу в область меньших энергий. Положение края поглощения определялось также скоростью напыления. Скорость напыления изменялась варьированием мощности излучения лазера. Увеличение скорости напыления приводило, как и в случае нагрева подложки, к сдвигу края поглощения в длинноволновую область (см. фиг.1).

Увеличение энергии частиц, конденсирующихся на подложке, за счет подогрева подложки или увеличения скорости напыления может приводить к ре-испарениям серы и соответственно увеличению относительной доли гомосвязей М-М (M=Ge, Ga). Это в свою очередь должно сдвигать положения края поглощения в длинноволновую сторону. Край фундаментального поглощения для кристаллического GeS лежит в области 774.9 нм, в то время как для GeS₂ он составляет 354.2 нм. Облучение пленки ртутной лампой или N₂ -лазером приводило к сильному сдвигу края фундаментального поглощения в коротковолновую область. Величина сдвига зависела от положения края поглощения исходной, необлученной пленки (см. фиг.2а). Фотоиндуцированное «просветление» сопровождалось уменьшением показателя преломления (см. фиг.2б).

Кроме того, при облучении толщина пленки в облученной области увеличивалась примерно на 20%. Согласно данным, приведенным на фиг.2, значения показателя преломления и ширины запрещенной зоны облученной пленки не зависят от значения вышеназванных параметров исходной (не облученной) пленки.

Скорость фотопросветления максимальна в начале процесса. Через 10 минут процесс выходит на насыщение и через 30 минут он практически завершается (см. фиг.3). Кинетика процесса достаточно хорошо описывается интегральной формой выражения скорости реакции первого порядка (фиг.3 линия), т.е. скорость процесса в основном определяется концентрацией одного субъекта реакции (определенный структурный дефект, определенная химическая связь и т.д.).

Механизм данного эффекта заключается в фотоиндуцированном окислении. Во-первых, фотоиндуцированное просветление происходило только при контакте пленки с кислородом. Во-вторых, на ИК спектрах поглощения увеличивалось поглощение в области характерной для Ge-O или Ga-O связей (11-13 рм). В третьих, значение показателя преломления и спектральное положение края поглощения облученной пленки (n=1.8÷1.9 и =330÷340 нм) более характерны для оксихалькогенидных стекол, чем для «чисто» халькогенидных. Механизм эффекта заключается в взаимодействии гомосвязей М-М (M=Ge, Ga) с кислородом с образованием мостиков М-О-М. При этом механизм фотопросветления состоит по крайне мере из двух стадий, которые могут быть разделены во времени: облучение пленки без доступа кислорода приводит к активации мест для последующей атаки кислорода; контакт пленки с воздухом (уже без облучения) приводит к окислению и просветлению.

Наблюдаемый эффект фотопросветления с успехом может использоваться для записи изображений. На фиг.4. представлен результат облучения пленки через шаблон (сетку со стороной ячейки 30 м).