CN103093772B - 一种基于石墨烯偏振特性的多层膜光存储方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于石墨烯偏振特性的多层膜光存储方法，属于信息和材料技术领域，涉及石墨烯微结构多层膜的制备和数据从多层膜结构中的读取。首先将化学气相沉积法制备的石墨烯微结构利用多次转移方法到不同折射率的聚合物基底上，形成石墨烯和聚合物多层膜结构。基于石墨烯偏振吸收效应，利用棱镜将入射光入射到石墨烯/聚合物多层膜结构上，通过平衡探测器测量s偏振和p偏振的电信号差值，读取利用石墨烯作为存储记录层所记录的数据。改变入射光的角度，利用不同聚合物折射率的差别，读取不同层位置的石墨烯所记录的数据。采用本发明的方法，能迅速、简单地制备利用石墨烯作为存储记录层的多层膜结构以及高效的读取不同层位置的石墨烯所记录的数据。

Description

一种基于石墨烯偏振特性的多层膜光存储方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯多层膜结构的制备和数据读取的方法，特别涉及一种基于石墨烯作为存储介质的具有折射率梯度的多层膜结构数据读取方法，属于信息和材料技术领域。
背景技术
光学数据存储带来了信息存储容量草命性的进步。随着数字信息的显着增加，存储介质的存储容量需要进一步的改善。由于衍射极限的存在，传统的二维存储介质，如数字视频光盘(DVD)，存储容量越来越难以满足现代信息的要求。即使是商业的蓝光光盘(BD)，也已经接近传统的存储介质的极限。因此，研发高密度的数据存储介质已经是光学数据存储的发展趋势。高密度的光存储技术目前主要集中在两个方面的发展：一个是克服衍射极限障碍，提高面存储密度，如近场光学数据存储，这要求尽量减少记录点之间以及信道之间的距离。改善面存储密度能在有限的区域中，尽可能多地存储更多的数字信息；增加光存储密度另一个有效的方法是在三维的光学数据存储空间，建立多层数据记录层，以提高储存密度的容量，如双光子三维光存储。它需要在有限的厚度内尽可能多的增加数据记录层，以改善存储的容量，从而在相同的单层的存储密度的前提下，更多的数字信息可以被存储。
2004年，英国的两位科学家发现了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。它由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为0.35nm。石墨烯的强度是已知材料中最高的，是钢的100多倍。利用石墨烯作为存储介质将具有最薄的厚度，从而提升存储的面密度和记录层数。此外，在全反射情况下，石墨烯对s和p偏振光具有不同的吸收，从而为存储数据的读取提供了一条有效的途径。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种石墨烯多层膜结构的制备和数据读取的方法。基于石墨烯作为存储介质的具有折射率梯度的多层膜结构能够高效、大密度地实现数据的光学存储。利用石墨烯偏振吸收的特性，可以有效地将记录在不同石墨烯层中的数据进行读取。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种石墨烯多层膜结构的制备和数据读取的方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
步骤1：将具有折射率n1的聚合物1旋涂到石英片上，并将化学气象沉积法(CVD)制备的具有微结构的石墨烯/金属层覆盖到聚合物1上，利用FeCl3将金属层去掉，从而将石墨烯微结构转移到聚合物1上；
步骤2：继续旋涂具有折射率n2(n2＜n1)的聚合物2，利用步骤1的方法将第二层石墨烯微结构转移到聚合物2上；
步骤3：重复步骤2，增加具有更低折射率的聚合物和石墨烯微结构层，最终制备出折射率梯度分布聚合物夹杂石墨烯微结构层的多层膜结构；
步骤4：将石墨烯多层膜结构覆盖到具有高折射率的棱镜上；
步骤5：使用圆偏振光或非偏振光入射，通过凸透镜会聚到带有第一层石墨烯处，调节入射角度使入射光在该层石墨烯处发生全内反射，使用偏振分光将全反射光分成s偏振和p偏振的两束光，利用平衡探测器探测s偏振和p偏振的电信号，如图2；
步骤6：调节棱镜或石墨烯多层膜结构，利用平衡探测器读取记录层的数据信息。当记录层有石墨烯存在时，s偏振和p偏振信号差最大，可记录为1；当记录层没有石墨烯存在时，s偏振和p偏振信号差最小，可记录为0；
步骤7：调节入射光的角度，使其在第二层石墨烯处发生全内反射，重复步骤6，从而读取第二石墨烯所记录的数据信息；
步骤8：重复步骤6和7，读取记录在其它层的数据信息。
上述方案中，所述的金属基底为能用化学气相沉积方法催化生长石墨烯的金属，如铜、镍；所述的化学气相沉积法生长的石墨烯为单层、双层、多层石墨烯。
聚合物层之间折射率的差别取决于入射光汇聚后全部达到全反射所要求的角度范围。聚合物层的厚度为微米量级，从而有效避免全反射倏逝波穿透深度所涉及的层与层之间的干扰。在避免层与层之间干扰的前提下尽量减少聚合物层的厚度，从而达到最优化的存储密度。
上述方案中，石墨烯层的面存储密度取决于石墨烯微结构加工的尺度和数据读取光斑的大小。石墨烯微结构的加工可达到纳米层次，通过将入射光聚焦或利用短波长的光可以更好的提高存储的面密度。
本发明的有益效果是：
(1)采用石墨烯作为数据存储记录层，石墨烯原子尺度的厚度可以有效的降低记录介质的厚度，从而增加存储的面密度；
(2)石墨烯在全反射结构下独特偏振吸收特性的利用和平衡探测装置的采用，可以有效的读取记录在石墨烯层的数据信息，并具有较高的信噪比；
(3)具有不同折射率的聚合物作为存储的缓冲层，可有效地实现石墨烯多层存储的结构，实现三维光存储；
(4)入射光透过石墨烯时，其对s偏振和p偏振的吸收没有差别，从而降低了层与层之间数据读取干扰；
(5)依赖于聚合物的性能，可以方便的制成柔性石墨烯光存储多层结构。
附图说明
图1为用于实现光存储的石墨烯多层膜结构的制备过程图。
图2为石墨烯多层膜数据读取的装置图，采用棱镜耦合全内反射和平衡探测结构。
图3为读取不同石墨烯数据记录层的示意图。
图4(1)为对一层石墨烯记录层信号的读取结果，其中有石墨烯的位置为1，无石墨烯的位置为2。
(2)为对三层石墨烯记录层信号分别读取的结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和高硬度的聚二甲基硅氧烷(h-PDMS)作为聚合物层的三层石墨烯光存储结构，包括以下步骤：
(1)将化学气象沉积法(CVD)制备石墨烯结构转移到石英片上，作为第一层记录层；
(2)将具有折射率n1的h-PDMS旋涂到带有石墨烯的石英片上，并将CVD石墨烯/Ni层覆盖到h-PDMS上，利用FeCl3将Ni层去掉，将石墨烯转移到h-PDMS上，作为第二层记录层；
(3)旋涂PDMS，重复步骤2将石墨烯转移到具有高折射率n2的PDMS上，作为第三层记录层；
(4)将石墨烯多层膜结构覆盖到具有高折射率的棱镜上；
(5)使用圆偏振光入射，通过凸透镜会聚到带有第一层石墨烯处，调节入射角度使入射光在该层石墨烯处发生全内反射，使用偏振分光将全反射光分成s偏振和p偏振的两束光，利用平衡探测器探测s偏振和p偏振的电信号，如图2；
(6)调节棱镜或石墨烯多层膜结构，利用平衡探测器读取记录层的数据信息。当记录层有石墨烯存在时，s偏振和p偏振信号差最大，可记录为1；当记录层没有石墨烯存在时，s偏振和p偏振信号差最小，可记录为0，如图4；
(7)调节入射光的角度，使其在第二层石墨烯处发生全内反射，重复步骤6，从而读取第二石墨烯所记录的数据信息，如图3；
(8)重复步骤6和7，读取记录在第三层石墨烯的数据信息。

Claims (8)

1.一种基于基于石墨烯偏振特性的多层膜光存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将具有折射率n1的聚合物1旋涂到石英片上，将石墨烯微结构转移到聚合物1上；
步骤2：继续旋涂具有折射率n2的聚合物2，要求n2＜n1，利用步骤1的方法将第二层石墨烯微结构转移到聚合物2上；
步骤3：重复步骤2，增加具有更低折射率的聚合物和石墨烯微结构层，最终制备出折射率梯度分布聚合物夹杂石墨烯微结构层的多层膜结构；
步骤4：将石墨烯多层膜结构覆盖到具有高折射率的棱镜上；
步骤5：使用圆偏振光或非偏振光入射，通过凸透镜会聚到带有第一层石墨烯处，调节入射角度使入射光在该层石墨烯处发生全内反射，使用偏振分光将全反射光分成s偏振和p偏振的两束光，利用平衡探测器探测s偏振和p偏振的电信号；
步骤6：调节棱镜或石墨烯多层膜结构，利用平衡探测器读取记录层的数据信息，当记录层有石墨烯存在时，s偏振和p偏振信号差最大，可记录为1，或0；当记录层没有石墨烯存在时，s偏振和p偏振信号差最小，可记录为0，或1；
步骤7：调节入射光的角度，使其在第二层石墨烯处发生全内反射，重复步骤6，从而读取第二石墨烯所记录的数据信息；
步骤8：重复步骤6和7，读取记录在其它层的数据信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石墨烯为单层、双层、多层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多层膜结构中所用的聚合物折射率递增或递减，可以为柔性或刚性聚合物材料，聚合物层的厚度大于倏逝波的穿透深度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多层膜结构的层数为两层以上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，石墨烯数据记录层所记录信号的读取利用了石墨烯在全内反射下s偏振和p偏振吸收的不同。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对s偏振和p偏振信号差的探测采用平衡探测结构。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多层膜结构中不同石墨烯记录层中数据读取采用调整入射光角度，使得该石墨烯记录层上下介质的折射率满足该入射角度下的全内反射。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石墨烯记录层数据读取可以通过调节移动棱镜来实现，也可以通过移动石墨烯多层膜结构来实现。
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