專利名稱：一種基于石墨烯偏振特性的多層膜光存儲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)的制備和數(shù)據(jù)讀取的方法，特別涉及一種基于石墨烯作為存儲介質(zhì)的具有折射率梯度的多層膜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)讀取方法，屬于信息和材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學數(shù)據(jù)存儲帶來了信息存儲容量草命性的進步。隨著數(shù)字信息的顯著增加，存儲介質(zhì)的存儲容量需要進一步的改善。由于衍射極限的存在，傳統(tǒng)的二維存儲介質(zhì)，如數(shù)字視頻光盤(DVD)，存儲容量越來越難以滿足現(xiàn)代信息的要求。即使是商業(yè)的藍光光盤(BD)，也已經(jīng)接近傳統(tǒng)的存儲介質(zhì)的極限。因此，研發(fā)高密度的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)已經(jīng)是光學數(shù)據(jù)存儲的發(fā)展趨勢。高密度的光存儲技術(shù)目前主要集中在兩個方面的發(fā)展:一個是克服衍射極限障礙，提高面存儲密度，如近場光學數(shù)據(jù)存儲，這要求盡量減少記錄點之間以及信道之間的距離。改善面存儲密度能在有限的區(qū)域中，盡可能多地存儲更多的數(shù)字信息；增加光存儲密度另一個有效的方法是在三維的光學數(shù)據(jù)存儲空間，建立多層數(shù)據(jù)記錄層，以提高儲存密度的容量，如雙光子三維光存儲。它需要在有限的厚度內(nèi)盡可能多的增加數(shù)據(jù)記錄層，以改善存儲的容量，從而在相同的單層的存儲密度的前提下，更多的數(shù)字信息可以被存儲。2004年，英國的兩位科學家發(fā)現(xiàn)了由碳原子以SP2雜化連接的單原子層構(gòu)成的新型二維原子晶體-石墨烯。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是目前最理想的二維納米材料。它由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子組成，是世界上最薄的二維材料，其厚度僅為0.35nm。石墨烯的強度是已知材料中最高的，是鋼的100多倍。利用石墨烯作為存儲介質(zhì)將具有最薄的厚度，從而提升存儲的面密度和記錄層數(shù)。此夕卜，在全反射情況下，石墨烯對s和P偏振光具有不同的吸收，從而為存儲數(shù)據(jù)的讀取提供了一條有效的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供了一種石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)的制備和數(shù)據(jù)讀取的方法?；谑┳鳛榇鎯橘|(zhì)的具有折射率梯度的多層膜結(jié)構(gòu)能夠高效、大密度地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的光學存儲。利用石墨烯偏振吸收的特性，可以有效地將記錄在不同石墨烯層中的數(shù)據(jù)進行讀取。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)的制備和數(shù)據(jù)讀取的方法，如圖1和圖2所示，包括以下步驟:步驟1:將具有折射率nl的聚合物I旋涂到石英片上，并將化學氣象沉積法(CVD)制備的具有微結(jié)構(gòu)的石墨烯/金屬層覆蓋到聚合物I上，利用FeCl3將金屬層去掉，從而將石墨烯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚合物I上；步驟2:繼續(xù)旋涂具有折射率n2 (n2 < nl)的聚合物2，利用步驟I的方法將第二層石墨烯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚合物2上；步驟3:重復(fù)步驟2，增加具有更低折射率的聚合物和石墨烯微結(jié)構(gòu)層，最終制備出折射率梯度分布聚合物夾雜石墨烯微結(jié)構(gòu)層的多層膜結(jié)構(gòu)；步驟4:將石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)覆蓋到具有高折射率的棱鏡上；步驟5:使用圓偏振光或非偏振光入射，通過凸透鏡會聚到帶有第一層石墨烯處，調(diào)節(jié)入射角度使入射光在該層石墨烯處發(fā)生全內(nèi)反射，使用偏振分光將全反射光分成s偏振和P偏振的兩束光，利用平衡探測器探測S偏振和P偏振的電信號，如圖2 ；步驟6:調(diào)節(jié)棱鏡或石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)，利用平衡探測器讀取記錄層的數(shù)據(jù)信息。當記錄層有石墨稀存在時，s偏振和P偏振信號差最大,可記錄為I ;當記錄層沒有石墨稀存在時，s偏振和P偏振/[目號差最小，可記錄為O ;步驟7:調(diào)節(jié)入射光的角度，使其在第二層石墨烯處發(fā)生全內(nèi)反射，重復(fù)步驟6，從而讀取第二石墨烯所記錄的數(shù)據(jù)信息；步驟8:重復(fù)步驟6和7，讀取記錄在其它層的數(shù)據(jù)信息。上述方案中，所述的金屬基底為能用化學氣相沉積方法催化生長石墨烯的金屬，如銅、鎳；所述的化學氣相沉積法生長的石墨烯為單層、雙層、多層石墨烯。聚合物層之間折射率的差別取決于入射光匯聚后全部達到全反射所要求的角度范圍。聚合物層的厚度為微米量級，從而有效避免全反射倏逝波穿透深度所涉及的層與層之間的干擾。在避免層與層之間干擾的前提下盡量減少聚合物層的厚度，從而達到最優(yōu)化的存儲密度。上述方案中，石墨烯層的面存儲密度取決于石墨烯微結(jié)構(gòu)加工的尺度和數(shù)據(jù)讀取光斑的大小。石墨烯微結(jié)構(gòu)的加工可達到納米層次，通過將入射光聚焦或利用短波長的光可以更好的提高存儲的面密度。本發(fā)明的有益效果是:(I)采用石墨烯作為數(shù)據(jù)存儲記錄層，石墨烯原子尺度的厚度可以有效的降低記錄介質(zhì)的厚度，從而增加存儲的面密度；(2)石墨烯在全反射結(jié)構(gòu)下獨特偏振吸收特性的利用和平衡探測裝置的采用，可以有效的讀取記錄在石墨烯層的數(shù)據(jù)信息，并具有較高的信噪比；(3)具有不同折射率的聚合物作為存儲的緩沖層，可有效地實現(xiàn)石墨烯多層存儲的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)三維光存儲；(4)入射光透過石墨烯時，其對s偏振和P偏振的吸收沒有差別，從而降低了層與層之間數(shù)據(jù)讀取干擾；(5)依賴于聚合物的性能，可以方便的制成柔性石墨烯光存儲多層結(jié)構(gòu)。


圖1為用于實現(xiàn)光存儲的石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)的制備過程圖。圖2為石墨烯多層膜數(shù)據(jù)讀取的裝置圖，采用棱鏡耦合全內(nèi)反射和平衡探測結(jié)構(gòu)。圖3為讀取不同石墨烯數(shù)據(jù)記錄層的示意圖。圖4 (I)為對一層石墨烯記錄層信號的讀取結(jié)果，其中有石墨烯的位置為1，無石墨烯的位置為2。(2)為對三層石墨烯記錄層信號分別讀取的結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的進行詳細的描述。實施例給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明并不限于以下實施例。實施例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)作為聚合物層的三層石墨烯光存儲結(jié)構(gòu)，包括以下步驟:(I)將化學氣象沉積法(CVD)制備石墨烯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到石英片上，作為第一層記錄層；(2)將具有折射率nl的h_PDMS旋涂到帶有石墨烯的石英片上，并將CVD石墨烯/Ni層覆蓋到h-PDMS上，利用FeCl3將Ni層去掉，將石墨烯轉(zhuǎn)移到h_PDMS上，作為第二層記
錄層；(3)旋涂PDMS，重復(fù)步驟2將石墨烯轉(zhuǎn)移到具有高折射率n2的PDMS上，作為第三
層記錄層；(4)將石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)覆蓋到具有高折射率的棱鏡上；(5)使用圓偏振光入射，通過凸透鏡會聚到帶有第一層石墨烯處，調(diào)節(jié)入射角度使入射光在該層石墨烯處發(fā)生全內(nèi)反射，使用偏振分光將全反射光分成s偏振和P偏振的兩束光，利用平衡探測器探測S偏振和P偏振的電信號，如圖2 ；(6)調(diào)節(jié)棱鏡或石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)，利用平衡探測器讀取記錄層的數(shù)據(jù)信息。當記錄層有石墨稀存在時，s偏振和P偏振信號差最大,可記錄為I ;當記錄層沒有石墨稀存在時，S偏振和P偏振信號差最小，可記錄為0，如圖4 ;(7)調(diào)節(jié)入射光的角度，使其在第二層石墨烯處發(fā)生全內(nèi)反射，重復(fù)步驟6，從而讀取第二石墨烯所記錄的數(shù)據(jù)信息，如圖3 ；(8)重復(fù)步驟6和7，讀取記錄在第三層石墨烯的數(shù)據(jù)信息。
權(quán)利要求
1.一種基于基于石墨烯偏振特性的多層膜光存儲方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:將具有折射率nl的聚合物I旋涂到石英片上，將石墨烯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚合物I上； 步驟2:繼續(xù)旋涂具有折射率n2(n2 < nl)的聚合物2，利用步驟I的方法將第二層石墨烯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚合物2上； 步驟3:重復(fù)步驟2，增加具有更低折射率的聚合物和石墨烯微結(jié)構(gòu)層，最終制備出折射率梯度分布聚合物夾雜石墨烯微結(jié)構(gòu)層的多層膜結(jié)構(gòu)； 步驟4:將石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)覆蓋到具有高折射率的棱鏡上； 步驟5:使用圓偏振光或非偏振光入射，通過凸透鏡會聚到帶有第一層石墨烯處，調(diào)節(jié)入射角度使入射光在該層石墨烯處發(fā)生全內(nèi)反射，使用偏振分光將全反射光分成s偏振和P偏振的兩束光， 利用平衡探測器探測S偏振和P偏振的電信號； 步驟6:調(diào)節(jié)棱鏡或石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)，利用平衡探測器讀取記錄層的數(shù)據(jù)信息。當記錄層有石墨烯存在時，s偏振和P偏振信號差最大，可記錄為I (或O);當記錄層沒有石墨烯存在時，S偏振和P偏振信號差最小,可記錄為0(或I)； 步驟7:調(diào)節(jié)入射光的角度，使其在第二層石墨烯處發(fā)生全內(nèi)反射，重復(fù)步驟6，從而讀取第二石墨烯所記錄的數(shù)據(jù)信息； 步驟8:重復(fù)步驟6和7，讀取記錄在其它層的數(shù)據(jù)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化學氣相沉積法生長的石墨烯為單層、雙層、多層石墨烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多層膜結(jié)構(gòu)中所用的聚合物折射率遞增或遞減，可以為柔性或剛性聚合物材料，聚合物層的厚度大于倏逝波的穿透深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多層膜結(jié)構(gòu)的層數(shù)為兩層以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，石墨烯數(shù)據(jù)記錄層所記錄信號的讀取利用了石墨烯在全內(nèi)反射下s偏振和P偏振吸收的不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的對偏振吸收差異信號的探測采用平衡探測結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多層膜結(jié)構(gòu)中不同石墨烯記錄層中數(shù)據(jù)讀取采用調(diào)整入射光角度，使得該石墨烯記錄層上下介質(zhì)的折射率滿足該入射角度下的全內(nèi)反射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石墨烯紀律層數(shù)據(jù)讀取可以通過調(diào)節(jié)移動棱鏡來實現(xiàn)，也可以通過移動石墨烯多層膜結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
全文摘要
一種基于石墨烯偏振特性的多層膜光存儲方法，屬于信息和材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及石墨烯微結(jié)構(gòu)多層膜的制備和數(shù)據(jù)從多層膜結(jié)構(gòu)中的讀取。首先將化學氣相沉積法制備的石墨烯微結(jié)構(gòu)利用多次轉(zhuǎn)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層膜結(jié)構(gòu)?；谑┢裎招?yīng)，利用棱鏡將入射光入射到石墨烯/聚合物多層膜結(jié)構(gòu)上，通過平衡探測器測量s偏振和p偏振的電信號差值，讀取利用石墨烯作為存儲記錄層所記錄的數(shù)據(jù)。改變?nèi)肷涔獾慕嵌?，利用不同聚合物折射率的差別，讀取不同層位置的石墨烯所記錄的數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明的方法，能迅速、簡單地制備利用石墨烯作為存儲記錄層的多層膜結(jié)構(gòu)以及高效的讀取不同層位置的石墨烯所記錄的數(shù)據(jù)。
文檔編號G11B7/24038GK103093772SQ201310005489
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者劉智波, 邢飛, 陳旭東, 田建國 申請人:南開大學