Seit jeher hat eine Person mit einigen Informationen versucht, diese zu bewahren. Der Grund dafür könnte der Wunsch sein, diese Informationen wiederzuverwenden oder sie an zukünftige Generationen weiterzugeben. In jedem Fall wird zum Speichern von Informationen ein „Container“ benötigt, in dem sie gespeichert werden. Die ersten derartigen Informationsträger waren Felsen, auf denen alte Menschen verschiedene Ereignisse aus ihrem Leben darstellten (Jagd, Leben, Beobachtungen der Welt usw.). Jetzt sind wir weit von den Zeichnungen auf den Felsen entfernt. Optische Datenträger, Festplatten, SDDs, Flash-Speicher und andere Medien sind für uns zu alltäglichen Dingen geworden. Was können Sie jedoch über die Verwendung holographischer Technologien zum Speichern von Informationen sagen? Diese nicht standardmäßige Methode ist nicht neu, aber erst kürzlich konnten Wissenschaftler das grundlegende Problem lösen, das den Übergang dieser Technologie von der Theorie zur Praxis verhinderte. Was ist dieses Problem, wie wurde es gelöst und sollten wir eine Revolution im Bereich der Datenspeicherung erwarten? Wir werden heute versuchen, diese und andere Fragen zu beantworten. Lass uns gehen.
Eine kurze Geschichte der HVD
HVD (oder Holographic Versatile Disc) ist eine holographische Mehrzweckscheibe. Bereits 1963 schlug Peter van Heerden, ein Wissenschaftler bei Polaroid, eine Methode zur "Massenspeicherung" von Daten vor. Seitdem haben sich viele Unternehmen in diesem Bereich entwickelt.
HVD und DVDIm Jahr 2000 kündigte Sony die Entwicklung von UDO (Ultra Density Optical - optische Medien mit hoher Datendichte) an, das etwa 30 GB speichern kann. Bereits 2007 wurde das Format mit einer Menge gespeicherter Informationen von bis zu 60 GB auf UDO2 aktualisiert.
Im Jahr 2006 stellte New Medium Enterprises der Öffentlichkeit ein neues und revolutionäres Format vor - HD VMD. Nach 2 Jahren begannen die ersten Verkäufe.
Neuer Player für mittlere Unternehmen für VMDWie wir jedoch wissen, sind holographische Medienregale in Elektronikgeschäften bisher nicht übersät. Und dafür gibt es Gründe, über die wenig später.
Prinzip der VMD-Technologie
Schematische Darstellung von Scheibenschichten und deren Auswirkungen auf Laserstrahlen (Quelle: en.wikipedia.org) :
- 1 - grünes Laser-Lesen / Schreiben (532 nm);
- 2 - roter Positionierungs- / Indexlaser (650 nm);
- 3 - Hologramm (Daten);
- 4 - Polycarbonatschicht;
- 5 - photopolimere (photopolimere) Schicht mit Daten;
- 6 - Trennschicht (Distans-Schichten);
- 7 - eine Schicht, die die grüne Farbe reflektiert (dichroitische Schicht);
- 8 - Aluminiumschicht, die rotes Licht reflektiert; 9 - eine transparente Basis; P - Aussparungen (Gruben)
Das erste, was auffällt, ist das Vorhandensein von zwei Lasern - grün und rot. Informationen werden aufgrund der Verbindung dieser beiden Strahlen (aufgrund ihrer Kohärenz) in Form eines holographischen Bildes aufgezeichnet. Der grüne Strahl ist die Referenz und enthält keine Daten. Der rote Strahl durchläuft einen optischen Modulator, der die Eigenschaften des Strahls ändert. Wenn sich zwei Strahlen schneiden, wird in der Interferenzzone ein holographisches Bild erzeugt. Infolgedessen können wir Daten in dreidimensionaler Form und nicht in zweidimensionaler Form speichern, wie dies bei herkömmlichen optischen Medien der Fall ist.
* Ein grobes Beispiel :
Stellen Sie sich vor , es gibt einen Raum, der mit Kisten gefüllt werden muss. Wenn Sie sie auf den Boden legen, passen die Boxen viel weniger. Und wenn Sie den gesamten Raum vom Boden bis zur Decke nutzen, können Sie viel mehr Kisten platzieren.
Neu aus China
Nordöstliche Pädagogische UniversitätWie wir bereits verstanden haben, gibt es viele Menschen, die ihre eigene HVD erstellen möchten. Jedes Unternehmen, das diese Technologie erforscht, bringt etwas Neues in seine Gesamtentwicklung ein. Ich möchte nicht beiseite treten und Wissenschaftler der Northeast Normal University (Northeastern Pedagogical University). Es gelang ihnen, einen neuen Filmtyp zu entwickeln, der als Aufbewahrungsort für holographische Bilder (d. H. Daten) dient. Ein solches Medium hat eine hohe Datendichte, eine ausgezeichnete Lese- / Schreibgeschwindigkeit und kann dramatische Änderungen in der Umgebung überstehen. Darüber hinaus gelang es ihnen, das Problem der Fragilität holographischer Medien aufgrund der Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung zu bewältigen.
Der Herstellungsprozess des Prototyps
Die in den Studien verwendete Hauptsubstanz war Octahedrit - eine der polymorphen Modifikationen von TiO
2 (Titanoxid). Die Glasbasis ist mit einer Mischung aus Titanoxid-Nanopartikeln (0,4 mol / l) und dem Blockcopolymer PEO20-PP070-PPO20 (20 g / l) beschichtet. Als nächstes wird die Base in eine Mischung aus Wasser und Ethanol (in gleichen Anteilen) getaucht, die durch das Sol-Gel-Verfahren erhalten wird. Die Entfernungsrate betrug 2 cm / s, was notwendig war, um einen gleichmäßigen, transparenten und glatten Titanoxidfilm zu erzeugen. Um die Polymere zu entfernen, wurde der Film 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 450ºC kalziniert.
Der nächste Schritt war das 5-stündige Eintauchen eines nanoporösen Titanoxidfilms in eine Phosphofungstatlösung (Konzentration - 0,016 mol / l). Ein so langer Prozess ist notwendig, damit Säuremoleküle erfolgreich von der Oberfläche des Films absorbiert werden können.
Schematische Darstellung des Prozesses zur Herstellung eines nanoporösen PrototypfilmsDer resultierende Film wurde in eine Mischung aus 0,01 M Silbernitrat (AgNO
3 ) - 49 ml und Ethanol - 1 ml getaucht. Silbernanoporen wurden während der 20-minütigen UV-Bestrahlung bei Raumtemperatur auf einem Film (Titanoxid mit Phosphorwolframsäuremolekülen) abgeschieden. Der letzte Schritt bestand darin, den Film in entionisiertem Wasser zu waschen und 5 Minuten mit UV zu bestrahlen, um restliche Ag + -Ionen zu reduzieren.
Während der ultravioletten Bestrahlung wurde die Probe braun-grau, was auf die lokalisierte Absorption der Oberflächenplasmonresonanz von abgeschiedenen Silbernanoporen zurückzuführen ist. Die optischen Eigenschaften und die Morphologie der Nanostrukturen der Probe wurden unter Verwendung eines UV-2600-UV-Spektroskops und eines Rasterelektronenmikroskops erhalten.
Photoelektrochemisches Experiment
Dieses Experiment wurde bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Potentiostaten (einer Vorrichtung zur automatischen Überwachung des Elektrodenpotentials und zur Unterstützung seines vorbestimmten Wertes) durchgeführt. Für das Experiment wurde eine Standardkonfiguration mit drei Elektroden verwendet:
- Zinnoxidglas - Arbeitselektrode;
- Ag / AgCl (Silberchloridelektrode) - Referenzelektrode;
- Platinschwarz ist die Gegenelektrode.
Die Beleuchtung erfolgte durch eine Hayashi LA-410 Xenonlampe mit einer Lichtintensität von 20 mW / cm
2 . Die Messungen wurden in einem Elektrolyten von 0,5 M Na
2 SO
4 (Natriumsulfat) mit einem pH-Wert von 5,8 durchgeführt.
Holographischer Aufzeichnungsprozess
Das Beugungsgitter wurde unter Verwendung eines kohärenten s-polarisierten Laserstrahls (532 nm, 714 mW / cm
2 ) aufgezeichnet. Der Schnittwinkel der Aufzeichnungsstrahlen wurde auf 10 Grad eingestellt. Die Leistungsdichte der Schreibstrahlen war gleich und betrug 57 mW / cm
2 . Ein roter Laser, der 671 nm s-polarisiertes Licht erzeugte, wurde verwendet, um die Dynamik des holographischen Gitters zu überwachen. Eine Leistungsdichte von 671 nm des Lasers wurde auf 7 mW / cm
2 eingestellt, um den zerstörerischen Effekt der Auslesestrahlung zu minimieren, der zu photochemischen Reaktionen führt. Das gebeugte Signal erster Ordnung wurde auf einer mit einem Computer gekoppelten Fotodiode aufgezeichnet. Die Beugungseffizienz von holographischen Gittern kann als das Verhältnis der Intensitäten des Beugungsstrahls erster Ordnung und des einfallenden Strahls nach dem Durchgang durch die Probe definiert werden.
SystemaussehenZusätzlich wurde einer der Schreibstrahlen nach dem räumlichen Filter erweitert, kollimiert, um durch die Maske zu gelangen, und auf das Zentrum des Ag / PW
12 / TiO
2 -Nanoverbundfilms fokussiert. Ein anderer Strahl wurde in die gleiche Richtung wie der Referenzstrahl gerichtet. Rekonstruierte holographische Bilder wurden unter Verwendung einer CMOS-Videokamera gesammelt. Ein roter Laser (671 nm) wurde als Test zum Lesen eines holographischen Bildes verwendet.
Ein vereinfachtes Diagramm der optischen Einstellung einer holographischen Aufzeichnung, wobei:
M - Spiegel - Spiegel;
BS - Strahlteiler - Strahlteiler;
F ist die Linse;
BE - Strahlaufweitung - Strahlaufweiterung;
PD - Fotodiode - Fotodiode;
Probe - Probe;
Maske - Maske.Testergebnisse
In den Händen des Forschers befindet sich dieselbe Probe, die beim Testen verwendet wurdeUnten finden Sie Grafiken und Bilder der Testergebnisse mit einer Beschreibung. Für eine detailliertere Studie empfehle ich Ihnen, den Bericht der Forschungsgruppe zu lesen, den Sie als
Referenz oder über diesen
Link (PDF-Dokument) finden .
Filmmorphologie und UV-Absorptionsspektren
Bild Nr. 3Die Bilder
(a) und
(c) zeigen Oberflächen- und Quer-SEM-Bilder eines Titanoxidfilms mit Phosphorwolframsäuremolekülen (PW
12 ). Und in den Bildern
(b) und
(d) ein Titanoxidfilm ohne zusätzliche Komponenten. Die Dicke jeder der Proben beträgt 620 nm. Eine Probe mit PW12 zeigt eine signifikant geringere Verteilung der Silbernanoporen (ca. 14,7 nm) als eine Probe ohne PW
12 (ca. 21,2 nm). Dieser Unterschied kann auf die Hemmung der Aggregation von Silbernanoporen unter dem Einfluss von UV-Strahlung zurückzuführen sein.
Unter Verwendung von Akzeptoren nehmen plasmonische Silbernanoporen (weniger als 30 nm) etwa 98% des Volumenanteils ein, was ein sehr guter Indikator für das Erreichen eines hohen Wirkungsgrads und einer hohen Photochromiegeschwindigkeit ist
(e) . Weiter verbreitete Silbernanoporen (von 4 bis 52 nm) wurden durch direkten Kontakt dieses Metalls mit einem Titanoxidfilm
(f) erhalten .
Zusätzlich beträgt die Konzentration an Nanoporen im Ag / PW
12 / TiO
2 -Film 7,94 ~ 109 / cm
2 , was niedriger ist als die des Ag / TiO
2 -Films (~ 9,42 ~ 109 / cm
2 ).
Bild Nr. 4:
(a) Schema, das eine Abnahme der Silbernanoporen in PW 12 TiO 2 - und TiO 2 -Filmen aufgrund von UV-Bestrahlung zeigt.
(b) Spektroskopie eines Ag / PW 12 / TiO 2 -Films und eines Ag / TiO 2 -Films auf einem Glassubstrat (Basis) im UV-Bereich.Unter anderem bietet die Verwendung von PW
12 zusätzliche elektronische Transportkanäle bei den Prozessen der photokatalytischen Abscheidung und des Elektronentransfers
(a) . Photogenerierte Elektronen aus TiO
2 werden verteilt und einige von ihnen können unter UV-Anregung auf PW
12 übertragen werden , was die Ablagerung von Silbernanoporen effektiv verlangsamt. Der in den UV-Absorptionsspektren der Ag / PW
12 / TiO
2 -Probe getestete Verzögerungseffekt betrug ~ 0,95 und der der Ag / TiO
2 -Probe betrug ungefähr ~ 1,38
(b) .
Bild Nr. 5:
(a) Eine lineare Abtastung von Voltammogrammen von PW 12 / TiO 2 -Elektronen und TiO 2 -Elektronen (Abtastung mit einer Geschwindigkeit von 10 mV / s). Der Einschub (untere rechte Ecke) zeigt die Testergebnisse im Dunkeln.
(b) Elektronenübergangsprozess in einem Ag / PW 12 / TiO 2 -Film, wenn er UV-Strahlung ausgesetzt wird.Modulation der reversiblen Photochromie
Bild 6: Differenzielle Absorption von Ag / PW 12 / TiO 2 (a) - und Ag / TiO 2 -Filmen
(b) abwechselnd mit grünem Licht (532 nm, 57 mW / cm 2 ) und UV-Strahlung (360 nm, 71 mW / cm 2 ) bestrahlt. Änderungen der Absorption von Ag / PW 12 / TiO 2 © und Ag / TiO 2 (d) bei abwechselnder Exposition gegenüber grüner und UV-Strahlung.
Bild Nr. 7: Beugungseffizienz erster Ordnung von holographischen Gittern in einem Ag / PW 12 / TiO 2 -Film (a) und in einem Ag / TiO 2 -Film (b) bei Belichtung mit (s + s) Grünstrahl (Aufzeichnung) und UV-Strahl (Löschung) ) für vier Zyklen.Ergebnisse der Forscher
Mit der holographischen Technologie können Sie Millionen von Bytes gleichzeitig schreiben und lesen. Dies ist um ein Vielfaches schneller als bei Verwendung von optischen und magnetischen Speichermedien. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Technologie ist die dreidimensionale Aufzeichnung von Daten, mit der Sie mehr Daten auf einem Medium speichern können, dessen tatsächliche Größe nicht zunimmt. Dies ist in gewisser Weise die effizienteste Raumnutzung.
Das größte Problem sind die schädlichen Auswirkungen der UV-Strahlung, durch die Daten aus den Medien gelöscht werden. Den Forschern gelang es jedoch, diese Schwierigkeit zu bewältigen. Zu diesem Zweck wurden Materialien wie Silber und Titanoxid verwendet. Unter Verwendung eines Lasers wurden Silberpartikel aufgrund zusätzlicher Elektronen mit einer positiven Ladung in Silberkationen umgewandelt.
Einer der Forscher,
Shencheng Fu , sagt dazu Folgendes:
Wir fanden heraus, dass UV-Strahlung Daten löschen kann, da sich Elektronen von einem Halbleiterfilm zu Metallnanopartikeln bewegen und die gleiche Photonenumwandlung wie bei einem Laser verursachen. Die Einführung von Elektronen, die Moleküle „anziehen“, hat dazu geführt, dass einige Elektronen vom Halbleiter auf diese Moleküle übertragen wurden, wodurch die Löscheigenschaften der UV-Strahlung verringert und ein umweltverträgliches Datenspeichermedium mit hoher Dichte geschaffen wurden.
Die Bedeutung von Nanoporen liegt in ihrer Fähigkeit, Nanopartikeln, elektronenanziehenden Molekülen und einem Halbleiter die Wechselwirkung zu ermöglichen. Und die unglaublich geringe Größe der Moleküle, die Elektronen anziehen, ermöglicht es ihnen, sich in den Poren festzusetzen, ohne ihre Struktur zu beeinträchtigen. Die endgültigen Abmessungen des Films betrugen nur 620 Nanometer.
Die Testergebnisse zeigten, dass Daten auch bei ständiger Einwirkung von UV-Strahlung auf einem neuen Film aufgezeichnet werden können. Und die Verwendung von Molekülen, die Elektronen anziehen, bildet viele Elektronentransferpfade, die die Reaktion des Materials auf Laserstrahlen verbessern. Dies bedeutet jeweils eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Datenaufzeichnung. Laut Wissenschaftlern liegt die Geschwindigkeit beim Lesen von Daten bei etwa 1 GB / s.
Die Worte von Shencheng Fu:
Die Verwendung von Edelmetallen wie Silber im Bereich der optischen Speicherung wird üblicherweise als Medium mit langsamer Reaktion angesehen. Wir haben gezeigt, dass die Verwendung von Elektronentransferströmen die Geschwindigkeit der optischen Reaktion von Partikeln erhöht, während andere Eigenschaften dieser Partikel erhalten bleiben, die zum Speichern von Daten nützlich sind.
Der nächste Schritt bei der Untersuchung dieser Technologie wird darin bestehen, die Umweltstabilität sozusagen außerhalb des Labors zu testen.
Nachwort
Forscher glauben an ihre Innovation. Und nicht umsonst, denn sie haben es geschafft, ein seit vielen Jahren bestehendes Problem zu bewältigen - die schädlichen Auswirkungen der UV-Strahlung. Was ist der Sinn eines holographischen Informationsträgers, wenn er grob gesagt nur im Dunkeln verwendet werden kann? Trotz ihrer Erfolge sagen Wissenschaftler, dass die Nutzung ihrer Entwicklungen die Schaffung von Lesern einer neuen Art von Medien erfordern wird. Und es wird viel Zeit und noch mehr Mühe kosten.
Wie wir bereits genau wissen, hat jede (besonders erfolgreiche) Forschung einen enormen positiven Einfluss auf die Entwicklung der Technologie als solche. In naher Zukunft auf futuristische holografische Medien von der Größe eines Kaugummitellers zu warten, lohnt sich sicherlich noch nicht. Wie wir uns erinnern, hätte jedoch noch vor 15 Jahren niemand geglaubt, dass es in Zukunft Flash-Laufwerke geben würde, deren Volumen nicht in Megabyte, sondern in Terabyte gemessen würde.
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