JP6782295B2 - 光学データ記憶用の媒体、システム、及び方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１５年１０月５日にオーストラリア国特許庁に出願された“Media, Systems and Methods for Optical Data Storage"というタイトルのオーストラリア国特許出願第２０１５９０４０３９号の優先権を主張し、その全体をここに参照のために取込む。

本発明は、概して、データ記憶媒体、システム、及び光フィールド（例えば、レーザー光）の使用に基づいて、情報を記録し、読み出す方法に関する。本発明は、より詳細には、１世紀以上のような長い期間にわたって情報を記録し、保持するのに適している記憶システムに関する。

光学記憶媒体は、データが光学的に読み出し可能な方法でデータ格納される媒体であり、データは、例えば、ピックアップに一体化されるレーザー及び光検出器によって読み取ることができる。現世代での市販の光学記憶媒体には、シングル及びデュアルレイヤのＤＶＤ及びブルーレイディスクがあり、記録及び再生は、媒体（すなわち、光学ディスク）内の反射層から戻った光を制御又は検出することに基づいている。これらのうち、最も高いデータ記憶容量、および最も長い寿命はブルーレイディスクによって達成され、これは、約５０ギガバイトまでの情報を収容することができるものの、いくつかのメーカーは、５０〜１００年の寿命が要求される“アーカイブ品質”媒体を製造している。

長期間のデータ記録及び格納、又は“ロングデータ”は、多くの分野で関心が高まっている。例えば、いくつかのデータセットは、世の中の変化を捉え、研究するために、長い期間にわたる優れた時間的コンテキストを有している。宇宙物理学、生物学、地理学、及び社会科学において、何十年又は一世紀以上にわたって蓄積されたデータセットは、気候の変動、変異、および地球温暖化のような現象を研究し、解析するために用いられている。将来世代のために情報をアーカイブに保管し、保存することは、同様に重要な社会的義務である。このようなロングデータの記憶を提供するために、記憶媒体における記録領域及び非記録領域の両方の長寿命、及び大容量を提供する新規のデータ記憶システムが必要とされる。

ロングデータの時間スケールは、人類における多くの世代、例えば１００年以上の寿命を有する記憶媒体を必要とする。さらに、関心のあるいくつかの長寿命のデータセットだけでなく、物理的な記憶要件を考慮すると、１つのディスク当たり、複数テラバイトの容量が必要であることが示唆される。例えば、生物学では、合計で約３．２ギガバイトに達する、完全配列のヒトゲノムを表すデジタルデータのような大量の情報が生成される。したがって、たった１つの家族の複数の世代にわたるゲノムの突然変異を研究するために、蓄積されるデジタルデータは、１世紀以上にわたって、合計で複数テラバイトに容易に達することがある。

したがって、信頼性が高く、長期間にわたって安定し、コスト効率の良い、新規の大容量の記憶システム及び媒体に対する需要がある。さらに、媒体は、長期間のデータ収集用途でのデータセットの蓄積に用いる場合、通常、制御条件のもとで格納する前に１回だけ記録のために用いられ、読み出し専用ではほとんど読み出されないアーカイブ媒体とは対照的に、記録のための継続使用に対して堅牢であるべきである。

したがって、本発明の実施形態は、ロングデータの記憶用途における光学媒体で要求される長寿命、高データ記憶密度、及び堅牢性に対する要件のうちの１つ以上を満たすようにする。

一態様において、本発明は、ホストマトリックスに埋め込まれたナノ粒子を含み、光学データ記録媒体として使用するためのナノ複合材料であって、ホストマトリックスは、高い構造的安定性を有する材料を含み、ナノ粒子は、第１の物理的又は化学的状態と、対応する光放射への曝露で第２の物理的又は化学的状態への永久移行の特性とを有する光学機能コンポーネントを含み、情報を長期間にわたって光学機能コンポーネントの第１及び第２の物理的又は化学的状態で記録することができる、ナノ複合材料を提供する。

有利なことに、ホストマトリックス材料の高い構造的安定性は、媒体の非記録領域の信頼性の高い長期安定性と、光学機能コンポーネントの状態で記録された情報の保持とを可能にし、ナノ粒子を使用することによって、媒体内への情報の高密度記憶を可能にする。

“高い構造的安定性”とは、コンパクトディスク、ＤＶＤディスク、ブルーレイディスク等に用いられ、約５０ＭＰａのヤング率を有するポリマー複合材料（例えば、ポリカーボネート）のような、光学媒体で用いられる従来の材料に比べて物理的及び／又は熱的安定性が高いことを意味する。本発明の実施形態によるホストマトリックスとして使用するのに適した材料は、１０ＧＰａを超えるヤング率、好ましくは２０ＧＰａのヤング率といった、１ＧＰａを超えるヤング率を有することができる。

ホストマトリックスとして使用するのに適した材料は、有機及び無機成分を含むハイブリッド複合材料を含んでもよい。例えば、ホストマトリックス材料は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はポリカーボネート（ＰＣ）のようなポリマー、及び金属又はシリコンの１つ以上の酸化物のような無機材料を含んでもよい。ホストマトリックスの無機成分の割合は、７０％、８０％、又は９０％を超えるような、５０％を超えてもよい。本発明の実施形態において、５０％の無機成分を含むホストマトリックスは、１ＧＰａを超えるヤング率を有することができる。他の実施形態において、９０％の無機成分を含むホストマトリックスは、２５〜３０ＧＰａといった、２０Ｐａを超えるヤング率を有することができる。

いくつかの実施形態において、光学機能コンポーネントは、光ルミネッセンスナノ粒子を含む。いくつかの実施形態において、光学機能コンポーネントは、遷移金属イオンでドープされた量子ドットを含む。量子ドットは、コア／シェル構造を含むことができる。いくつかの実施形態において、コア／シェルの量子ドットは、マンガンイオンでドープされたＣｄＳ／ＺｎＳを含む。ナノ粒子の表面は、例えば、硫黄原子によって不活性化することができる。硫黄原子のために抑制されるナノ粒子のルミネッセンスは、第１の化学的／物理的な状態を含む。第２の化学的／物理的な状態への永久移行は、光学記録ビームへの曝露によって達成することができる。

さらなる実施形態において、光学機能コンポーネントは、金のナノ粒子のような金属ナノ粒子を含む。第１の物理的な状態では、金属ナノ粒子は金属ナノロッドを含むことができる。第２の物理的な状態への永久移行は、光学記録ビームへの曝露を含むことができ、それにより、金属ナノロッドは、ナノ球体のような第２の物理的形態への再構成を受ける。

“永久移行”とは、光学機能コンポーネントの第１及び第２の物理的又は化学的な状態が、長期の保管期間にわたって不可逆かつ堅牢であることを意味する。

“長期”とは、５０年を超える期間、より好ましくは１００年を超える、さらに好ましくは１２５年を超えることを意味する。いくつかの実施形態において、加速劣化実験は、安定した情報の保存が室温で５００年を超えて達成されることを示している。

ナノ複合材料を含む記録媒体は、化学溶液スピンコーティング／ドライ、化学蒸着、又は物理蒸着によって基板上に形成することができる。

他の態様において、本発明は、複数の層を備える記録媒体であって、少なくとも１つの層は外側の保護層を含み、少なくとも１つの他の層は、ホストマトリックスに埋め込まれたナノ粒子を有するナノ複合材料を含み、ホストマトリックスは、高い構造的安定性を有する材料を含み、ナノ粒子は、第１の物理的又は化学的状態と、対応する光放射への曝露で第２の物理的又は化学的状態に永久移行する特性とを有する光学機能コンポーネントを含み、情報を長期間にわたって光学機能コンポーネントの第１及び第２の物理的又は化学的状態で記録することができる、記録媒体を提供する。

いくつかの実施形態において、記録媒体はディスクを含む。

さらに、記録媒体は、ナノ複合材料層の対向する面上に配置された、少なくとも２つの保護層を備えることができる。

いくつかの実施形態において、ナノ複合材料層の厚さは、複数の内部層が情報を保存するのを可能にする十分な厚さとする。

いくつかの実施形態において、記録媒体は、径方向に配置された、検出可能なトラッキング要素を有するトラッキング層を含む。適切なトラッキング要素は、磁性トラッキング要素、光学トラッキング要素、金属トラッキング要素、及び（ピット又は溝のような）物理的トラッキング要素のうちの１つ以上を含む。

本発明のさらなる特徴、利点、及び用途は、本発明の実施形態の性質及び動作を当業者に十分に理解させるために提供される、後述する例示的実施形態の説明から明らかである。しかし、例示的な実施形態は、前文のいずれかで説明された、すなわち、本明細書に添付された請求項で説明される本発明の範囲を限定するとみなすべきではない。

本発明の実施形態は、参照番号を付した、添付の図面を参照してここで説明される。

本発明を具体化する例示的なディスク形状の記録媒体を概略的に示す図である。 本発明を具体化する光学データ記録及び読み出し装置のブロック図である。 例示的な記録／読み出し制御アルゴリズムの簡易化したフローチャート３００である。 図４（ａ）及び４（ｂ）は、本発明の実施形態による並列の記録及び読み出し方法をそれぞれ例示している概略図である。 例示的なナノ複合材料サンプルの、計測されたヤング率を示すグラフである。 図６（ａ）及び６（ｂ）は、例示的なナノ複合材料サンプルの加速劣化試験に対応するグラフである。

図１に示すように、本発明を具体化するディスク状記録媒体１００は、断面１０２で示すように多くの層を備える。ディスク１００は、従来通り、ディスクを回転させるスピンドルを受け入れるための中央穴を有する。上部保護層１０４は、１つ以上の記録層１０６に整合する屈曲率を有する耐摩耗性基板を含む。

記録層１０６は、ホストマトリックスに埋め込まれたナノ粒子を有するナノ複合材料を含む。ホストマトリックスは、構造的に高い安定性を有する材料を含み、ナノ粒子は、第１の物理的又は化学的状態を有する光学機能コンポーネントを有する。ナノ粒子は、対応する光放射への曝露時に、第２の物理的又は化学的状態への永久移行の特性も有する。

図１に示す実施形態において、ディスク１００は、間隔層１０８も備える。

図示の構成では、レーザービーム１１０のような光フィールドが、上方からディスク１００を照射する。上部保護層１０４及び間隔層１０８は、このビームに対して透過性である。作動中、ビームは記録層１０６内の領域に集束される。ビーム１１０の、プロファイル、分光組成、及び／又は強度のような特性を適切に制御することによって、ビーム１１０は、記録層１０６内のナノ粒子を第２の物理的又は化学的な状態に永久移行することにより記録ビームとして用いることができる。これらの移行は、格納される情報を符号化するために記録層１０６内で空間的に変調することができる。格納された情報は、その後、ビーム１１０のパラメータを再び適切に制御してナノ粒子の代わりの状態で含んでいる領域を検出することによって、読み取ることができる。

記録層１０６は、ディスク１００内に径方向の間隔で配置される（図１に示さない）マークも含むことができる。マークは光学的に検出可能な特性を有することができ、読み書き装置は径方向に沿って記録／読み出しビーム１１０の位置をトラッキング可能になる。さらに、例示的なディスク１００は、トラッキング要素の層１１２を備える。適切なトラッキング要素は、磁性トラッキング要素（例えば、磁性材料の同心リング）、光学トラッキング要素（例えば、検出可能な吸収スペクトル又は他の光学特性を有する材料を含む同心リング）、金属トラッキング要素、及び物理的トラッキング要素（例えば、同心のピット、溝、又は層間のコルゲーション）といった、磁気的、光学的、又は電気的手段によって検出することができる構造を含む。

その結果、情報は、ホストマトリックス材料の構造的に高い安定性によって長期にわたって光学機能コンポーネントの第１及び第２の物理的又は化学的状態で記録することができる。

図２は、本発明を具体化する光学データ記録及び読み出し装置のブロック図である。このような装置は、一般に、光学ドライブ、又は単にドライブとして知られている。

光学ドライブ２００は、記録媒体、つまり、光学ディスク１００を保持するよう構成された取り付け具２０２を備える。取り付け具２０２は、中央穴を介してディスクを確実に取り付けるよう構成されたスピンドルを備え、スピンドルは、ディスクの角速度を制御できるように、制御可能な速度を有するモーターによって作動される。

レーザー源２０４は、ビーム形成システム２０６を通過して、ディスク１００から／ディスク１００ヘの情報の読み出し及び／又は書き込みに適した特性を有する光放射のビーム２０８を生成する１つ以上の光源を含む。レーザー源２０４で、及び／又はビーム形成システム２０６内で制御することができるビーム特性は、スペクトル内容（すなわち、ビーム２０８を作る光の波長、又は多波長）、ビームプロファイルおよびビーム強度を含む。これらの特性の１つ以上を変更することによって、ドライブ２００は、読み出し機能と書き込み機能とを切り替えることができる。いくつかの実施形態では、ビーム特性を変更することによって、ディスク１００上のデータ記憶密度の制御を容易にすることができる。例えば、先の国際特許出願公開第2015/177815号に記載されているような、超解像度での記録及び読出し方法を採用することができる。

ビームは、トラッキング機構、すなわち、図２の簡単なブロック図にミラー２１２及びレンズ２１４によって表される光学ヘッド２１０を介して、ディスク１００の選択された領域上に集束される。トラッキングシステムは、少なくともディスク１００に対して径方向に移動するように制御可能であり、記録／読み出しのための特定のトラックの選択を可能にする。読み出しモードでは、ディスク１００に記録された情報に従って変調される、ディスク１００から反射された光は、ビームスプリッター又はパーシャルミラー２１６を介して、検出システム２１８に向けられる。検出システム２１８は、レンズ、アパーチャー、及び／又はフィルタのような、ノイズや不所望な残留のレーザービームを除去する追加の光学的構成要素とともに、感光検出器、及び読み出し情報を復調する復調器を備えることができる。

検出システム２１８にはサーボシステム２２０が接続され、これは所望の回転速度を維持するために用いることができるスピンドルコントローラ２２２と、ディスク１００の所望の領域に記録するため、及び、所望の領域から読み出すために光学ヘッド２１０を十分な精度で動作させるトラッキングコントローラ２２４とを含むフィードバックループを備える。

ドライブ２００の構成要素、すなわちレーザー源２０４、ビーム形成システム２０６、検出システム２１８、及びサーボシステム２２０は、電子コントローラ２２６の制御下で動作し、電子コントローラ２２６は、通常、マイクロプロセッサ、適切なプログラミング、及びドライブ２００の構成要素間で制御信号を送受信するための他の電子コンポーネントを含む。

記録及び再生の更なる特性及びパラメータは、ＤＶＤおよびブルーレイディスク技術のような、既存の光学記憶技術に基づいてもよい。例えば、ディスク１００に記録されるデータを符号化するために変調技術（８対１６の変調）を適用することができる。ディスク媒体全体にわたって一定のスループット及び一定のデータ密度であることを確実にするために、記録及び読み出しに一定線速度（ＣＬＶ）動作を、例えば６０ｍ／ｓｅｃの速度で用いることができる。読み出し及び書き込みのサイクル時間を最小にすれば、スループットは、ＣＬＶを高くすることによって改善することができる。ビット記録のスループットは、Ｔ＝ＣＬＶ／ｄであり、ここに、ＣＬＶは本システムで用いられる一定線速度であり、ｄは単一ビットの長さ（すなわち、物理ディスク１００上／物理ディスク１００内の）である。

ドライブは、図４（ａ）及び４（ｂ）を参照して以下に詳細に説明するように、並列の記録及び読み出しをすることができる。したがって、記録及び読み出しのスループットは向上する。並列の書き込みを適用した後の、全体のデータ記録スループットは、ｐを並列に記録されるビット数とすると、Ｔ_drive＝ｐ×Ｔである。

サーボシステム２２０及びコントローラ２２２、２２４は、光学ディスク１００の物理的な特徴に応じて、多くの異なる方法で実装することができる。例えば、磁性トラッキング層１１２を設けることができ、磁性要素を追加のプローブ（図示せず）によって検出し、サーボシステム２２０への代替あるいは追加の入力を提供して、記録及び読み出し中の回転しているディスクのウォークオフに正確な補正を適用することができる。サーボシステムの主なタスクは、位置誤差信号を検出し、位置誤差を補正することである。プローブは、マイクロアクチュエータによって操作することができ、（図１に示すようなトラッキング層１１２における）磁性トラック溝を有するディスク表面の近くに配置することができる。ヘッドの位置は、トラック溝に予め符号化された位置信号を読み取ることによって決定され、光学ヘッド２１０の位置を補正するための位置誤差信号を生成する。サーボシステム２２０は、マイクロアクチュエータを制御し、位置信号を転送し、光学記録読み出しシステムを用いてサーボシステムのサンプリングレートを調整するデジタル制御回路を備える。サーボシステムからの位置信号に基づいて、光学ヘッドを駆動するために用いられるアクチュエータは、例えば３０ｎｍ未満の超高精度でレーザービームの相対位置を調整することができる。

代替の実施形態では、検出システム２１８から受信される光学又は電気信号に基づく光学サーボシステムを用いることができる。ディスク１００から戻った光信号は、１／４光検出器、非点収差光学系、及び作動回路で前処理することができる。例えば、６５８ｎｍの波長で動作するサーボレーザーは、常に、ディスク１００に形成された溝構造上に集束する。そして、反射されたサーボレーザービームは、円形レンズとで円柱レンズの対からなる非点収差光学系を通った後に、ディスクのウォークオフ情報を担持する。１／４光検出器は、反射されたビームの形状変化を感知する。１／４光検出器は、４つの信号（Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤ）を生成する。作動回路は、これら４つの信号を用いてウォークオフ、スピンドル速度、トラッキング誤差信号、および焦点誤差信号の状態を判断することができる。４つの信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を加算することによってＲＦ信号が生成される。ＲＦ信号の周波数から、スピンドルの速度を決定することができる。径方向の焦点誤差は、（Ａ＋Ｂ−Ｃ−Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）によって測定することができ、これは、集束誤差信号と呼ばれる。横方向の焦点誤差（トラッキング誤差信号）は、（Ａ＋Ｂ−Ｃ−Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）によって測定することができる。対応する電流を、光学ヘッド２１０を制御するアクチュエータ２２２、２２４に印加して、ディスクの軸方向及び横方向のトラック位置に対するヘッド２１４の対物レンズ２１４の相対位置を調整する。

図３は、コントローラ２２６内に実装することができる、例示的な記録／読み出し制御アルゴリズムの、簡略化したフローチャート３００を示す。書き込み又は読み出しのいずれの場合でも、最初のステップは、サーボシステムを作動させるステップ３０２、及び適切なトラッキングマークを有するディスクの存在を確認する、検出アルゴリズムを実行するステップ３０４である。ディスクが存在しない場合（ステップＳ３０６）、誤差が報告される（ステップ３０８）。

判定点３１０で、アルゴリズムは、データ読み出し動作又はデータ記録動作のいずれが要求されているかに応じて二者択一の経路に沿って進む。データ読み出しステップ３１２の場合、コントローラ２２６は、ステップ３１４で読み出しビームを作動させる。コントローラ２２６は、光源２０４およびビーム形成システム２０６を作動させ、読み出しビーム２０８の強度レベルが、ディスク１００から検出可能な応答を生成するのに十分であるが、記録層１０６内のナノ粒子内に永久移行が誘起される強度レベル以下となるようにする。コントローラ２２６は、ステップ３１６でスピンドルモーターも作動させる。通常は、読み出し動作中に、読み出しが行われていることを観察者に視覚的に確認させるために、何らかの形態の指示又は他の表示を生成する（ステップ３１８）。コントローラは、ディスク１００から全ての所望の情報が読み出されるまで読み出し動作３２０を継続し（ステップ３２０）、読み出しの終了時点でプロセスは完了する（ステップ３２２）。

より詳細には、コントローラは、読み出しに先立って、標的のセクターをみつけるためにアドレス検索を実行する。ディスクの位置を検索するために、コントローラ２２６は、まずトラック位置をみつけるようサーボシステム２２０を作動させる。光源２０４及びビーム形成システム２０６を適切に制御することによって作動させた低出力の読み出しビーム２０８を用いて軸方向のスキャニングを実行する。ディスクの位置が確認されると、コントローラ２２６は、レーザーゲートをディスクの回転と同期させる。検出システム２１８の感光検出器は、検出された光学データ信号を対応するデジタル電気信号に変換する。電気信号は、復調され、最終的に検索データとしてホストデバイスに転送される。

データ記録の場合、コントローラは、まずステップ３２４で記録すべきデータを受信する。ステップ３２６では、光源２０４及びビーム形成システム２０６を制御して、ビーム２０８の強度レベルを、記録層１０６内のナノ粒子に永久移行を誘起するのに十分な強度とすることにより記録ビーム２０８を作動させる。読み出しの場合のように、コントローラは、ステップ２３０でスピンドルモーターを作動させる。そして、記録は、入力データブロックが完全に記録されるまで行われる（ステップ３３２）。ステップ３３４では、コントローラは、記録する別のデータブロックがあるか否かを判定し、存在すれば、制御は、ステップ３２４に戻る。さもなければ、記録プロセスは完了する（ステップ３２２）。

図４（ａ）及び４（ｂ）は、それぞれ本発明の実施形態による、並列記録及び並列読み出しの方法を例示する概略図である。記録にあたっては（４００）、情報アレイ（４０２）を処理して、対応する位相分布（４０４）を生成する。位相分布（４０４）は、例えば、ベクトルデバイ回折理論（vectorial Debye diffraction theory）に従って判定することができ、空間光変調器４０６を用いて光ビーム２０８上に変調される。そして、多焦点レンズ配置４０８は、ディスク１００の記録層１０６上に“スポット”のアレイを集束させ、各スポットは、情報アレイ４０２に従って変調された読み出しビーム２０８に対応する特性を有し、したがって、記録された情報の対応する空間アレイ４１２を生成する。

都合のよいことに、並列記録プロセス４００は、高スループットだけでなく、各焦点における強度を個々に操作する能力も提供する。これは、例えば、多レベル情報記録のため、及び／又は記録媒体１００内の不均一な光応答を補償するために用いることができる。

図４（ｂ）は、本発明を具体化するディスク１００上に記録された情報の空間アレイ４２２を読み出すプロセス４２０を示す。透過した読み出しビーム、及び記録層１０６から反射又は放射された光は、多焦点レンズ配置４２４を通過する。読み出しビームは、空間光変調器を用いて発生することができ、記録媒体を横切って走査される焦点面内の空間アレイ上に一様に分布される複数の焦点スポットを提供することができる。各焦点スポットから受信した信号を効率的に弁別し、他のスポットからのクロストークを抑制するために、穿孔ホールのアレイを有する空間フィルタ４２６が設けられる。いくつかの実施形態において、ホールの直径は、例えば、約５００μｍとすることができる。一般に、ホールの数、サイズ、及び位置は、読み出しビームアレイにおける焦点の数、及び光学系の倍率に依存する。空間フィルタ４２６を通過する、ディスク１００からの戻りの光を検出するのに検出器４２８が用いられる。

本発明を具体化する記録媒体の長期安定性を評価するために加速劣化実験を行った。これらの実験の目的のために、光学機能コンポーネントを表す金のナノロッドが埋め込まれたナノ複合材料を含むホストマトリックスを調製した。

より詳細には、平均アスペクト比が２．７で、直径が１０ｎｍの金のナノロッドを、湿式化学合成法を用いて調製し、ナノ複合材料をゾル・ゲル法によって調製した。ナノロッド溶液（Ｏ．Ｄ.１８０）をナノ複合ゾルに添加し、次にカバーガラス上にドロップキャストした。その後、カバーガラスを３１３Ｋのオーブン内に１週間、入れた。

実験媒体内のデータ記憶は、金のナノロッドを加熱することによって、例えば、十分な強度のレーザー放射の適用によって達成することができる。これにより、ナノロッドは溶融し、ロッドの状態がナノ球体に変化する。この形状変化は、ホストマトリックスに弾性エネルギーの変化をもたらし、これにより、データは、ナノロッドとナノ球体との間の系のエネルギー最小値で記憶される。金のナノロッドが球体よりも高い自由エネルギーを有することがシミュレーションによって判明した。このため、ナノ複合材料の光学データ記憶の寿命は、主にナノロッドの寿命に依存する。ナノロッドの溶融閾値に比例する活性化エネルギーは、形状をロッドから球体に変えるために必要とされる。

温度０Ｋ（すなわち、絶対ゼロ）では、熱変動はなく、ナノロッドはいつまでも形状を維持する。高温で、形状がロッドから球体に自然的に移行する確率は、アレニウスの法則に従って高くなる。ホストマトリックスコンポーネントの機械的強度が高まる結果、ホストマトリックスの弾性エネルギーに打ち勝つためにナノロッドの形状移行に追加の活性化エネルギーが必要であり、これは、ヤング率によって決定される。活性化エネルギーの強化は、熱変動に起因する異なる形状間での急転の可能性を低減させ、このため、ナノロッドの形状の寿命が延びる。

サンプル媒体のヤング率は、ナノインデンテーション法（Hysitron Performech Ti750 Ubi Nanoindenter）によって決定した。３×３のマトリクスとして、３μｍのインデント間の間隔で配置された９つのインデンテーションを各サンプルについて試験した。５秒で０から８００μＮまで増加した負荷力を、１０秒保持し、５秒で８００から０μＮまでに除荷した。ヤング率の値は、負荷−除荷曲線を適合させることにより取得した。

図５は、サンプルの測定されたヤング率のグラフ５００を示す。横軸５０２は、サンプルにおける無機物のパーセンテージを示し、縦軸５０４は、ＧＰａでのヤング率を示す。結果のプロット５０６は、無機物のパーセンテージがゼロ％と９０％との間で増加する順で、ヤング率が増加することを明確に示している。

加速劣化実験は、４５３Ｋのオーブン内にナノ複合材料を保持することによって行った。金のナノロッドの形状の寿命の測定によれば、４５３Ｋで３時間、サンプルを保持することは、室温で６００年間熟成することに相当することが判明した。

図６（ａ）は、加速劣化実験に基づくデータ記憶の推定寿命のグラフ６００を示す。横軸６０２はＧＰａでのヤング率を示し、縦軸は年での寿命を示す。結果のプロット６０６は、約１ＧＰａ（約５０％の無機物のパーセンテージに相当）にヤング率の“閾値”があることを示し、これより上では寿命の増加があまり顕著でない。これが有利な特性であるのは、ホストマトリックスのヤング率がさらに高くなると、より硬い材料に必要とされる層間隔の増加に起因して、寿命と記憶容量との間にトレードオフがあり、これにより、最高記録密度が低下するからである。

図６（ｂ）は、加速劣化実験、特に図６（ａ）のプロット６０６の最初の２つの点に相当する、例示的な結果を示す更なるグラフ６１０を示す。横軸は、温度の逆数（１／Ｔ）をＫ^−１の単位で示し、縦軸は年数での寿命を示す。５０ＭＰａのヤング率で実験的に測定した点６１６を外挿して６１８とし、３００Ｋで２．３年の推定寿命６２０を提供する。比較すると、５０ＭＰａのヤング率で実験的に計測した点６２２を外挿して６２４とし、３００Ｋで１２５年の推定寿命６２６を提供する。

上記の議論において、本発明を具体化する、様々な方法、装置、システム、及び配置が説明されてきた。これらは、本発明、及びその実際の実装の十分な理解を容易にするために提供されてきたと認められる。本発明の範囲に何ら特定の限定を示すことを意図せず、単に例によって提供されてきたことが理解されるであろう。本発明の歯には、本明細書に添付された請求項を参照することによって決定される。

Claims (23)

1. ホストマトリックスに埋め込まれたナノ粒子を含み、光学データ記録媒体として使用するためのナノ複合材料であって、
   前記ホストマトリックスは、高い構造的安定性を有する材料を含み、
   前記ナノ粒子は、第１の物理的又は化学的状態と、対応する光放射への曝露で第２の物理的又は化学的状態への永久移行の特性とを有する光学機能コンポーネントを含み、 情報を長期間にわたって前記光学機能コンポーネントの第１及び第２の物理的又は化学的状態で記録することができ、
   前記ナノ粒子の表面は不活性化されている、
   ナノ複合材料。
2. 前記ホストマトリックスは、１ＧＰａを超えるヤング率を有する材料を含む、請求項１に記載のナノ複合材料。
3. 前記ホストマトリックスは、１０ＧＰａを超えるヤング率を有する材料を含む、請求項１に記載のナノ複合材料。
4. 前記ホストマトリックスは、２０ＧＰａを超えるヤング率を有する材料を含む、請求項１に記載のナノ複合材料。
5. 前記ホストマトリックスは、有機及び無機成分を有するハイブリッド複合材料を含む、請求項１に記載のナノ複合材料。
6. 前記ホストマトリックスは、有機ポリマー及び無機材料を含む、請求項５に記載のナノ複合材料。
7. 前記有機ポリマーは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はポリカーボネート（ＰＣ）から選択され、前記無機材料は金属又はシリコンの１つ以上の酸化物から選択される、請求項６に記載のナノ複合材料。
8. 前記ホストマトリックスの前記無機成分の割合は５０％を超える、請求項６に記載のナノ複合材料。
9. 前記ホストマトリックスの前記無機成分の割合は７０％を超える、請求項６に記載のナノ複合材料。
10. 前記ホストマトリックスの前記無機成分の割合は８０％を超える、請求項６に記載のナノ複合材料。
11. 前記ホストマトリックスの前記無機成分の割合は９０％を超える、請求項６に記載のナノ複合材料。
12. 前記光学機能コンポーネントは、光ルミネッセンスナノ粒子を含む、請求項１に記載のナノ複合材料。
13. 前記光学機能コンポーネントは、遷移金属イオンでドープされた量子ドットを含む、請求項１に記載のナノ複合材料。
14. 前記量子ドットは、コア／シェル構造を含む、請求項１３に記載のナノ複合材料。
15. 前記コア／シェルの量子ドットは、マンガンイオンでドープされたＣｄＳ／ＺｎＳを含む、請求項１４に記載のナノ複合材料。
16. 前記ナノ粒子の前記表面は、硫黄原子によって不活性化され、前記硫黄原子のために抑制された前記ナノ粒子のルミネッセンスは、前記第１の化学的／物理的な状態を含み、前記第２の化学的／物理的な状態への永久移行は光学記録ビームへの曝露によって行われる、請求項１に記載のナノ複合材料。
17. ホストマトリックスに埋め込まれたナノ粒子を含み、光学データ記録媒体として使用するためのナノ複合材料であって、
    前記ホストマトリックスは、高い構造的安定性を有する材料を含み、
    前記ナノ粒子は、第１の物理的又は化学的状態と、対応する光放射への曝露で第２の物理的又は化学的状態への永久移行の特性とを有する光学機能コンポーネントを含み、
    情報を長期間にわたって前記光学機能コンポーネントの第１及び第２の物理的又は化学的状態で記録することができ、
    前記光学機能コンポーネントは、金属ナノ粒子を含み、
    前記第１の化学的／物理的な状態では、前記金属ナノ粒子は金属ナノロッドを含み、前記第２の化学的／物理的な状態では、前記金属ナノ粒子は、ナノ球体を含み、前記第２の物理的な状態への永久移行は、光記録ビームへの曝露によって行われる、ナノ複合材料。
18. 基板上に配置された、請求項１に記載のナノ複合材料を含む記録媒体。
19. 複数の層を備える記録媒体であって、少なくとも１つの層は外側の保護層を含み、少なくとも１つの他の層は、ホストマトリックスに埋め込まれたナノ粒子を有するナノ複合材料を含み、
    前記ホストマトリックスは、高い構造的安定性を有する材料を含み、
    前記ナノ粒子は、第１の物理的又は化学的状態と、対応する光放射への曝露で第２の物理的又は化学的状態に永久移行する特性とを有する光学機能コンポーネントを含み、
    情報を長期間にわたって前記光学機能コンポーネントの第１及び第２の物理的又は化学的状態で記録することができ、
    前記ナノ粒子の表面は不活性化されている、
    記録媒体。
20. ディスクを含む、請求項１９に記載の記録媒体。
21. 前記ナノ複合材料の層の対向する面上に配置された、少なくとも２つの保護層を備える、請求項１９に記載の記録媒体。
22. 前記ナノ複合材料の層の厚さは、複数の内部層が情報を記憶するのに十分な厚さである、請求項１９に記載の記録媒体。
23. 径方向に配置された、検出可能なトラッキング要素を有するトラッキング層をさらに備える、請求項１９に記載の記録媒体。
    

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