电子俘获光存储材料的研究进展

侯桂芹　张颖　贾志芳

【摘 要】电子俘获光存储技术作为当今发展潜力最大的信息存储技术，已越来越引起人们的重视。本文介绍了几类典型的电子俘获光存储材料，分析了各种材料的特点及其存在的问题，并对电子俘获光存储材料的研究进行了展望。

【关键词】电子俘获材料；光存储；信息技术

随着信息技术的飞速发展和信息设备的迅速更新，各种信息载体对自身的记忆功能和存储功能提出了更高的要求。为适应时代的发展，信息载体不仅要求其记忆材料具有信息储存量大、高存储密度的功能，而且还要其具有高数据传输率、高存储寿命、高的擦写次数及很高的重复操作性。就拿迅速发展的计算机技术来说，电子俘获光存储技术当属发展潜力最大的信息存储技术。

1 几类典型的电子俘获光存储材料

以BaFBr为代表，常用于X射线或紫外光影像存储。读出光波长在400～700 nm之间，读出发光为380～400nm之间的蓝紫色发光。该种材料为研究最早、具有最强实用化程度的电子俘获材料之一，其光激励发光机理的研究，奠定了电子俘获光存储机理研究的基础。

目前BaFX：Eu2+（X=C1，Br）的光激励发光机理的模型主要有以下几类：其一，以日本Takahashi K为代表的导带复合模型；其二，以德国von Seggern H为代表的隧穿模型；其三，近年新提出的导带隧穿并行模型[1]。

1.2 AES型电子俘获材料（AE= Ca，Sr ）

例如SrS：Eu，Sm等。该类材料的写入光波长在紫外或蓝光区，读出光在近红外区域，读出发光波长范围从绿光到红光。除了用于光信息存储外，该材料还广泛应用于光信息处理中。

对于SrS：Eu2+，Sm3+的电子俘获机理，一般认为： Eu2+是发光中心，Sm3+是电子陷阱，在写入读出时分别产生如下离化、复合或俘获过程： Eu2+～Eu3+ +e， Sm3++e～Sm2+，但新的研究发现将Sm3+独立地作为电子陷阱仍存在问题[2]。最新的发光机理研究表明，杂质引起的缺陷而不是杂质本身承担电子俘获中心或空穴俘获中心，离子杂质的价态在激发后的光存储状态下没有发生改变。光激励吸收带以外的波长范围的Sm3+吸收峰（6H5/2-6 F1/2，3/2）没有发生变化，由此Sm3+离子在激发前后的价态和数量并没有发生变化，即Sm3+在激发后没有因为电子俘获或空穴俘获转变为Sm2+或Sm4+[3]。

研究表明，共掺杂时，Eu2+离子的束缚空穴能力远大于Sm3+离子；Sm3+离子的作用就是与俘获中心组成为复合体陷阱并影响陷阱能级的深度，使陷阱在室温下能稳定地存储电子。一些过渡元素离子或稀土离子也有这个作用，如Mn、La。

典型的有KC1：Eu、Cs Br：Eu等。其写入波长为X射线或紫外光，读出光波长范围从绿光到红光，读出发光波长范围从蓝光到绿光。该类型为新兴的一类电子俘获存储材料，一般具有较深的陷阱，读出衰减较慢。

在材料改进方面，新研究的KCl：Eu，KBr：Eu，NaCl：Cu等的紫外（X射线）存储，具有相对较缓慢的读出衰减，可更好地弥补BaFB：的较快衰减特性。这类材料虽然容易制备成单晶，但是掺杂后易潮解，部分材料还可能具有放射性，不利于民用。而且部分材料的有效原子系数小，不利于做高能射线存储，也限制了使用范围。另外在此类材料中发现的光激励发光衰减慢的原因尚未得到很好的解释，深陷阱不易擦除（或存储信息残留）对反复使用也不利。

1.4 玻璃陶瓷电子俘获材料

玻璃陶瓷材料为近年来最新投入研究的电子俘获光存储材料。已有报道用于电子俘获的玻璃陶瓷材料有硼酸盐玻璃陶瓷、氟铝酸盐玻璃陶瓷和氟锆酸盐玻璃陶瓷等。氟氧化物玻璃陶瓷的研究目前正在进行中。玻璃陶瓷的结构是以玻璃作为基质，镶嵌有若干掺有稀土发光中心的微晶[4]。由于玻璃陶瓷材料均匀且各向同性，不存在双折射及光散射现象，因此能得到更高的空间分辨率。众所周知，玻璃陶瓷经过高温烧结，性质稳定，易于存放和加工，以此为基质，又可克服以往电子俘获材料稳定性不好的缺点。

最近研究的氟氧化物玻璃陶瓷在化学稳定性、机械度、激光损伤敏值等指标上都有明显的优越性，而且易制成各种形状。它虽然在宏观上获得了光激励发光，但是有关光激励发光的来源，以及相关的电子、空穴俘获中心的位置和存在方式，存储能量的传递等仍然是有待研究解决的问题。

2 电子俘获光存储机理

电子俘获是一种光激励发光现象[5]。光激励发光是指材料受到辐照时，产生的自由电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中，从而将辐照能量存储起来，当受到光激励时（波长比辐照光长），这些电子和空穴脱离陷阱而复合发光。因而这种材料被形象地称为“电子浮获材料”。电子俘获光存储写入与读出的简单原理，如图1所示。

当用写入光辐照时，材料中产生大量的电子和空穴，这些电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中，从而将辐射能量存储起来。当受到光激励时（即读出光，能量小于写入光），陷阱中的载流子（电子和空穴）脱离陷阱而与发光中心复合发光。图1中，过程1表示晶体受电离辐射产生跃过禁带的自由电子和空穴，过程2、4表示自由电子被俘获并暂时存储在陷阱中，过程3、5存储在陷阱中的电子和空穴在受可见光或红外光激励时跃迁出陷阱，又处于自由状态，过程6、7、8表示这些自由电子和空穴可以在材料中的某些发光中心离子的局域能级上发生复合，而把它们所带的能量以一定波长的能量（hv）释放出来从而完成整个读出及写入过程。电子俘获光存储的写入（激发），读出（激励）的波长范围，受基质的晶格影响，也受杂质原子，晶格缺陷，以及一些破坏晶格周期性的界面等的影响。破坏了晶格的周期性，就可能在禁带中形成一些定域能级，定域能级的不同，直接影响了激发、激励以及激励发光的不同。电子俘获材料正是选择了不同基质以及掺杂，得到了不同波段的存取，电子俘获材料的读写波长由材料中的发光中心决定。

3 存在问题

由以上分析可见，现有的电子俘获光存储材料还存在了很多的问题，而解决这些问题的一个最有效的途径就是开发新的材料。硅酸锌即为一种良好的基质材料，它具有良好的化学稳定性、允许高掺量掺杂光活性离子等特点，Zn2SiO4：Mn2+还有良好的发光性能，且由于其制备简单，成本低廉已经在荧光材料中得到了应用。但这种材料在电子俘获光存储方面的研究和应用却鲜有报道。硅酸锌的研究已越来越引起人们的重视，必将推动光存储材料的进一步研究与开发。

【参考文献】

[1]赵辉，王永生，徐征，等.光激励发光的并行模型[J].物理学报，1998 （2）：334-338.

[2]何志毅，王永生，孙力等.SrS：Eu与SrS：Eu，Sm中电子陷阱与光存储研究[J].物理学报，2000（7）：1377-1380.

[3]He Z Y，Wang Y S，Sun L，et，al. The role of Sm ions in optical storage of SrS：Eu，Sm[J].Science in china 2001，44（9）：1189-1196.

[4]秦冠仕，秦伟平，陈宝玖等.Tm3+和Er3+共掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷材料结构和上转换发光性质的研究[J].发光学报，2001，22（4）：398-400.

[5]孙力，王永生.电子俘获光存储材料的研究进展[J].激光与红外，2001，31（5）：261-265.

[责任编辑：曹明明]

【摘 要】电子俘获光存储技术作为当今发展潜力最大的信息存储技术，已越来越引起人们的重视。本文介绍了几类典型的电子俘获光存储材料，分析了各种材料的特点及其存在的问题，并对电子俘获光存储材料的研究进行了展望。

【关键词】电子俘获材料；光存储；信息技术

随着信息技术的飞速发展和信息设备的迅速更新，各种信息载体对自身的记忆功能和存储功能提出了更高的要求。为适应时代的发展，信息载体不仅要求其记忆材料具有信息储存量大、高存储密度的功能，而且还要其具有高数据传输率、高存储寿命、高的擦写次数及很高的重复操作性。就拿迅速发展的计算机技术来说，电子俘获光存储技术当属发展潜力最大的信息存储技术。

1 几类典型的电子俘获光存储材料

以BaFBr为代表，常用于X射线或紫外光影像存储。读出光波长在400～700 nm之间，读出发光为380～400nm之间的蓝紫色发光。该种材料为研究最早、具有最强实用化程度的电子俘获材料之一，其光激励发光机理的研究，奠定了电子俘获光存储机理研究的基础。

目前BaFX：Eu2+（X=C1，Br）的光激励发光机理的模型主要有以下几类：其一，以日本Takahashi K为代表的导带复合模型；其二，以德国von Seggern H为代表的隧穿模型；其三，近年新提出的导带隧穿并行模型[1]。

1.2 AES型电子俘获材料（AE= Ca，Sr ）

例如SrS：Eu，Sm等。该类材料的写入光波长在紫外或蓝光区，读出光在近红外区域，读出发光波长范围从绿光到红光。除了用于光信息存储外，该材料还广泛应用于光信息处理中。

对于SrS：Eu2+，Sm3+的电子俘获机理，一般认为： Eu2+是发光中心，Sm3+是电子陷阱，在写入读出时分别产生如下离化、复合或俘获过程： Eu2+～Eu3+ +e， Sm3++e～Sm2+，但新的研究发现将Sm3+独立地作为电子陷阱仍存在问题[2]。最新的发光机理研究表明，杂质引起的缺陷而不是杂质本身承担电子俘获中心或空穴俘获中心，离子杂质的价态在激发后的光存储状态下没有发生改变。光激励吸收带以外的波长范围的Sm3+吸收峰（6H5/2-6 F1/2，3/2）没有发生变化，由此Sm3+离子在激发前后的价态和数量并没有发生变化，即Sm3+在激发后没有因为电子俘获或空穴俘获转变为Sm2+或Sm4+[3]。

研究表明，共掺杂时，Eu2+离子的束缚空穴能力远大于Sm3+离子；Sm3+离子的作用就是与俘获中心组成为复合体陷阱并影响陷阱能级的深度，使陷阱在室温下能稳定地存储电子。一些过渡元素离子或稀土离子也有这个作用，如Mn、La。

典型的有KC1：Eu、Cs Br：Eu等。其写入波长为X射线或紫外光，读出光波长范围从绿光到红光，读出发光波长范围从蓝光到绿光。该类型为新兴的一类电子俘获存储材料，一般具有较深的陷阱，读出衰减较慢。

在材料改进方面，新研究的KCl：Eu，KBr：Eu，NaCl：Cu等的紫外（X射线）存储，具有相对较缓慢的读出衰减，可更好地弥补BaFB：的较快衰减特性。这类材料虽然容易制备成单晶，但是掺杂后易潮解，部分材料还可能具有放射性，不利于民用。而且部分材料的有效原子系数小，不利于做高能射线存储，也限制了使用范围。另外在此类材料中发现的光激励发光衰减慢的原因尚未得到很好的解释，深陷阱不易擦除（或存储信息残留）对反复使用也不利。

1.4 玻璃陶瓷电子俘获材料

玻璃陶瓷材料为近年来最新投入研究的电子俘获光存储材料。已有报道用于电子俘获的玻璃陶瓷材料有硼酸盐玻璃陶瓷、氟铝酸盐玻璃陶瓷和氟锆酸盐玻璃陶瓷等。氟氧化物玻璃陶瓷的研究目前正在进行中。玻璃陶瓷的结构是以玻璃作为基质，镶嵌有若干掺有稀土发光中心的微晶[4]。由于玻璃陶瓷材料均匀且各向同性，不存在双折射及光散射现象，因此能得到更高的空间分辨率。众所周知，玻璃陶瓷经过高温烧结，性质稳定，易于存放和加工，以此为基质，又可克服以往电子俘获材料稳定性不好的缺点。

最近研究的氟氧化物玻璃陶瓷在化学稳定性、机械度、激光损伤敏值等指标上都有明显的优越性，而且易制成各种形状。它虽然在宏观上获得了光激励发光，但是有关光激励发光的来源，以及相关的电子、空穴俘获中心的位置和存在方式，存储能量的传递等仍然是有待研究解决的问题。

2 电子俘获光存储机理

电子俘获是一种光激励发光现象[5]。光激励发光是指材料受到辐照时，产生的自由电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中，从而将辐照能量存储起来，当受到光激励时（波长比辐照光长），这些电子和空穴脱离陷阱而复合发光。因而这种材料被形象地称为“电子浮获材料”。电子俘获光存储写入与读出的简单原理，如图1所示。

当用写入光辐照时，材料中产生大量的电子和空穴，这些电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中，从而将辐射能量存储起来。当受到光激励时（即读出光，能量小于写入光），陷阱中的载流子（电子和空穴）脱离陷阱而与发光中心复合发光。图1中，过程1表示晶体受电离辐射产生跃过禁带的自由电子和空穴，过程2、4表示自由电子被俘获并暂时存储在陷阱中，过程3、5存储在陷阱中的电子和空穴在受可见光或红外光激励时跃迁出陷阱，又处于自由状态，过程6、7、8表示这些自由电子和空穴可以在材料中的某些发光中心离子的局域能级上发生复合，而把它们所带的能量以一定波长的能量（hv）释放出来从而完成整个读出及写入过程。电子俘获光存储的写入（激发），读出（激励）的波长范围，受基质的晶格影响，也受杂质原子，晶格缺陷，以及一些破坏晶格周期性的界面等的影响。破坏了晶格的周期性，就可能在禁带中形成一些定域能级，定域能级的不同，直接影响了激发、激励以及激励发光的不同。电子俘获材料正是选择了不同基质以及掺杂，得到了不同波段的存取，电子俘获材料的读写波长由材料中的发光中心决定。

3 存在问题

由以上分析可见，现有的电子俘获光存储材料还存在了很多的问题，而解决这些问题的一个最有效的途径就是开发新的材料。硅酸锌即为一种良好的基质材料，它具有良好的化学稳定性、允许高掺量掺杂光活性离子等特点，Zn2SiO4：Mn2+还有良好的发光性能，且由于其制备简单，成本低廉已经在荧光材料中得到了应用。但这种材料在电子俘获光存储方面的研究和应用却鲜有报道。硅酸锌的研究已越来越引起人们的重视，必将推动光存储材料的进一步研究与开发。

【参考文献】

[1]赵辉，王永生，徐征，等.光激励发光的并行模型[J].物理学报，1998 （2）：334-338.

[2]何志毅，王永生，孙力等.SrS：Eu与SrS：Eu，Sm中电子陷阱与光存储研究[J].物理学报，2000（7）：1377-1380.

[3]He Z Y，Wang Y S，Sun L，et，al. The role of Sm ions in optical storage of SrS：Eu，Sm[J].Science in china 2001，44（9）：1189-1196.

[4]秦冠仕，秦伟平，陈宝玖等.Tm3+和Er3+共掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷材料结构和上转换发光性质的研究[J].发光学报，2001，22（4）：398-400.

[5]孙力，王永生.电子俘获光存储材料的研究进展[J].激光与红外，2001，31（5）：261-265.

[责任编辑：曹明明]

【摘 要】电子俘获光存储技术作为当今发展潜力最大的信息存储技术，已越来越引起人们的重视。本文介绍了几类典型的电子俘获光存储材料，分析了各种材料的特点及其存在的问题，并对电子俘获光存储材料的研究进行了展望。

【关键词】电子俘获材料；光存储；信息技术

随着信息技术的飞速发展和信息设备的迅速更新，各种信息载体对自身的记忆功能和存储功能提出了更高的要求。为适应时代的发展，信息载体不仅要求其记忆材料具有信息储存量大、高存储密度的功能，而且还要其具有高数据传输率、高存储寿命、高的擦写次数及很高的重复操作性。就拿迅速发展的计算机技术来说，电子俘获光存储技术当属发展潜力最大的信息存储技术。

1 几类典型的电子俘获光存储材料

以BaFBr为代表，常用于X射线或紫外光影像存储。读出光波长在400～700 nm之间，读出发光为380～400nm之间的蓝紫色发光。该种材料为研究最早、具有最强实用化程度的电子俘获材料之一，其光激励发光机理的研究，奠定了电子俘获光存储机理研究的基础。

目前BaFX：Eu2+（X=C1，Br）的光激励发光机理的模型主要有以下几类：其一，以日本Takahashi K为代表的导带复合模型；其二，以德国von Seggern H为代表的隧穿模型；其三，近年新提出的导带隧穿并行模型[1]。

1.2 AES型电子俘获材料（AE= Ca，Sr ）

例如SrS：Eu，Sm等。该类材料的写入光波长在紫外或蓝光区，读出光在近红外区域，读出发光波长范围从绿光到红光。除了用于光信息存储外，该材料还广泛应用于光信息处理中。

对于SrS：Eu2+，Sm3+的电子俘获机理，一般认为： Eu2+是发光中心，Sm3+是电子陷阱，在写入读出时分别产生如下离化、复合或俘获过程： Eu2+～Eu3+ +e， Sm3++e～Sm2+，但新的研究发现将Sm3+独立地作为电子陷阱仍存在问题[2]。最新的发光机理研究表明，杂质引起的缺陷而不是杂质本身承担电子俘获中心或空穴俘获中心，离子杂质的价态在激发后的光存储状态下没有发生改变。光激励吸收带以外的波长范围的Sm3+吸收峰（6H5/2-6 F1/2，3/2）没有发生变化，由此Sm3+离子在激发前后的价态和数量并没有发生变化，即Sm3+在激发后没有因为电子俘获或空穴俘获转变为Sm2+或Sm4+[3]。

研究表明，共掺杂时，Eu2+离子的束缚空穴能力远大于Sm3+离子；Sm3+离子的作用就是与俘获中心组成为复合体陷阱并影响陷阱能级的深度，使陷阱在室温下能稳定地存储电子。一些过渡元素离子或稀土离子也有这个作用，如Mn、La。

典型的有KC1：Eu、Cs Br：Eu等。其写入波长为X射线或紫外光，读出光波长范围从绿光到红光，读出发光波长范围从蓝光到绿光。该类型为新兴的一类电子俘获存储材料，一般具有较深的陷阱，读出衰减较慢。

在材料改进方面，新研究的KCl：Eu，KBr：Eu，NaCl：Cu等的紫外（X射线）存储，具有相对较缓慢的读出衰减，可更好地弥补BaFB：的较快衰减特性。这类材料虽然容易制备成单晶，但是掺杂后易潮解，部分材料还可能具有放射性，不利于民用。而且部分材料的有效原子系数小，不利于做高能射线存储，也限制了使用范围。另外在此类材料中发现的光激励发光衰减慢的原因尚未得到很好的解释，深陷阱不易擦除（或存储信息残留）对反复使用也不利。

1.4 玻璃陶瓷电子俘获材料

玻璃陶瓷材料为近年来最新投入研究的电子俘获光存储材料。已有报道用于电子俘获的玻璃陶瓷材料有硼酸盐玻璃陶瓷、氟铝酸盐玻璃陶瓷和氟锆酸盐玻璃陶瓷等。氟氧化物玻璃陶瓷的研究目前正在进行中。玻璃陶瓷的结构是以玻璃作为基质，镶嵌有若干掺有稀土发光中心的微晶[4]。由于玻璃陶瓷材料均匀且各向同性，不存在双折射及光散射现象，因此能得到更高的空间分辨率。众所周知，玻璃陶瓷经过高温烧结，性质稳定，易于存放和加工，以此为基质，又可克服以往电子俘获材料稳定性不好的缺点。

最近研究的氟氧化物玻璃陶瓷在化学稳定性、机械度、激光损伤敏值等指标上都有明显的优越性，而且易制成各种形状。它虽然在宏观上获得了光激励发光，但是有关光激励发光的来源，以及相关的电子、空穴俘获中心的位置和存在方式，存储能量的传递等仍然是有待研究解决的问题。

2 电子俘获光存储机理

电子俘获是一种光激励发光现象[5]。光激励发光是指材料受到辐照时，产生的自由电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中，从而将辐照能量存储起来，当受到光激励时（波长比辐照光长），这些电子和空穴脱离陷阱而复合发光。因而这种材料被形象地称为“电子浮获材料”。电子俘获光存储写入与读出的简单原理，如图1所示。

当用写入光辐照时，材料中产生大量的电子和空穴，这些电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中，从而将辐射能量存储起来。当受到光激励时（即读出光，能量小于写入光），陷阱中的载流子（电子和空穴）脱离陷阱而与发光中心复合发光。图1中，过程1表示晶体受电离辐射产生跃过禁带的自由电子和空穴，过程2、4表示自由电子被俘获并暂时存储在陷阱中，过程3、5存储在陷阱中的电子和空穴在受可见光或红外光激励时跃迁出陷阱，又处于自由状态，过程6、7、8表示这些自由电子和空穴可以在材料中的某些发光中心离子的局域能级上发生复合，而把它们所带的能量以一定波长的能量（hv）释放出来从而完成整个读出及写入过程。电子俘获光存储的写入（激发），读出（激励）的波长范围，受基质的晶格影响，也受杂质原子，晶格缺陷，以及一些破坏晶格周期性的界面等的影响。破坏了晶格的周期性，就可能在禁带中形成一些定域能级，定域能级的不同，直接影响了激发、激励以及激励发光的不同。电子俘获材料正是选择了不同基质以及掺杂，得到了不同波段的存取，电子俘获材料的读写波长由材料中的发光中心决定。

3 存在问题

由以上分析可见，现有的电子俘获光存储材料还存在了很多的问题，而解决这些问题的一个最有效的途径就是开发新的材料。硅酸锌即为一种良好的基质材料，它具有良好的化学稳定性、允许高掺量掺杂光活性离子等特点，Zn2SiO4：Mn2+还有良好的发光性能，且由于其制备简单，成本低廉已经在荧光材料中得到了应用。但这种材料在电子俘获光存储方面的研究和应用却鲜有报道。硅酸锌的研究已越来越引起人们的重视，必将推动光存储材料的进一步研究与开发。

【参考文献】

[1]赵辉，王永生，徐征，等.光激励发光的并行模型[J].物理学报，1998 （2）：334-338.

[2]何志毅，王永生，孙力等.SrS：Eu与SrS：Eu，Sm中电子陷阱与光存储研究[J].物理学报，2000（7）：1377-1380.

[3]He Z Y，Wang Y S，Sun L，et，al. The role of Sm ions in optical storage of SrS：Eu，Sm[J].Science in china 2001，44（9）：1189-1196.

[4]秦冠仕，秦伟平，陈宝玖等.Tm3+和Er3+共掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷材料结构和上转换发光性质的研究[J].发光学报，2001，22（4）：398-400.

[5]孙力，王永生.电子俘获光存储材料的研究进展[J].激光与红外，2001，31（5）：261-265.

[责任编辑：曹明明]