電子俘獲光存儲(chǔ)材料的研究進(jìn)展

侯桂芹　張穎　賈志芳

【摘 要】電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)作為當(dāng)今發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男畔⒋鎯?chǔ)技術(shù)，已越來越引起人們的重視。本文介紹了幾類典型的電子俘獲光存儲(chǔ)材料，分析了各種材料的特點(diǎn)及其存在的問題，并對(duì)電子俘獲光存儲(chǔ)材料的研究進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】電子俘獲材料；光存儲(chǔ)；信息技術(shù)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和信息設(shè)備的迅速更新，各種信息載體對(duì)自身的記憶功能和存儲(chǔ)功能提出了更高的要求。為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，信息載體不僅要求其記憶材料具有信息儲(chǔ)存量大、高存儲(chǔ)密度的功能，而且還要其具有高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲(chǔ)壽命、高的擦寫次數(shù)及很高的重復(fù)操作性。就拿迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)來說，電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)當(dāng)屬發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男畔⒋鎯?chǔ)技術(shù)。

1 幾類典型的電子俘獲光存儲(chǔ)材料

以BaFBr為代表，常用于X射線或紫外光影像存儲(chǔ)。讀出光波長在400～700 nm之間，讀出發(fā)光為380～400nm之間的藍(lán)紫色發(fā)光。該種材料為研究最早、具有最強(qiáng)實(shí)用化程度的電子俘獲材料之一，其光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的研究，奠定了電子俘獲光存儲(chǔ)機(jī)理研究的基礎(chǔ)。

目前BaFX：Eu2+（X=C1，Br）的光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的模型主要有以下幾類：其一，以日本Takahashi K為代表的導(dǎo)帶復(fù)合模型；其二，以德國von Seggern H為代表的隧穿模型；其三，近年新提出的導(dǎo)帶隧穿并行模型[1]。

1.2 AES型電子俘獲材料（AE= Ca，Sr ）

例如SrS：Eu，Sm等。該類材料的寫入光波長在紫外或藍(lán)光區(qū)，讀出光在近紅外區(qū)域，讀出發(fā)光波長范圍從綠光到紅光。除了用于光信息存儲(chǔ)外，該材料還廣泛應(yīng)用于光信息處理中。

對(duì)于SrS：Eu2+，Sm3+的電子俘獲機(jī)理，一般認(rèn)為： Eu2+是發(fā)光中心，Sm3+是電子陷阱，在寫入讀出時(shí)分別產(chǎn)生如下離化、復(fù)合或俘獲過程： Eu2+～Eu3+ +e， Sm3++e～Sm2+，但新的研究發(fā)現(xiàn)將Sm3+獨(dú)立地作為電子陷阱仍存在問題[2]。最新的發(fā)光機(jī)理研究表明，雜質(zhì)引起的缺陷而不是雜質(zhì)本身承擔(dān)電子俘獲中心或空穴俘獲中心，離子雜質(zhì)的價(jià)態(tài)在激發(fā)后的光存儲(chǔ)狀態(tài)下沒有發(fā)生改變。光激勵(lì)吸收帶以外的波長范圍的Sm3+吸收峰（6H5/2-6 F1/2，3/2）沒有發(fā)生變化，由此Sm3+離子在激發(fā)前后的價(jià)態(tài)和數(shù)量并沒有發(fā)生變化，即Sm3+在激發(fā)后沒有因?yàn)殡娮臃@或空穴俘獲轉(zhuǎn)變?yōu)镾m2+或Sm4+[3]。

研究表明，共摻雜時(shí)，Eu2+離子的束縛空穴能力遠(yuǎn)大于Sm3+離子；Sm3+離子的作用就是與俘獲中心組成為復(fù)合體陷阱并影響陷阱能級(jí)的深度，使陷阱在室溫下能穩(wěn)定地存儲(chǔ)電子。一些過渡元素離子或稀土離子也有這個(gè)作用，如Mn、La。

典型的有KC1：Eu、Cs Br：Eu等。其寫入波長為X射線或紫外光，讀出光波長范圍從綠光到紅光，讀出發(fā)光波長范圍從藍(lán)光到綠光。該類型為新興的一類電子俘獲存儲(chǔ)材料，一般具有較深的陷阱，讀出衰減較慢。

在材料改進(jìn)方面，新研究的KCl：Eu，KBr：Eu，NaCl：Cu等的紫外（X射線）存儲(chǔ)，具有相對(duì)較緩慢的讀出衰減，可更好地彌補(bǔ)BaFB：的較快衰減特性。這類材料雖然容易制備成單晶，但是摻雜后易潮解，部分材料還可能具有放射性，不利于民用。而且部分材料的有效原子系數(shù)小，不利于做高能射線存儲(chǔ)，也限制了使用范圍。另外在此類材料中發(fā)現(xiàn)的光激勵(lì)發(fā)光衰減慢的原因尚未得到很好的解釋，深陷阱不易擦除（或存儲(chǔ)信息殘留）對(duì)反復(fù)使用也不利。

1.4 玻璃陶瓷電子俘獲材料

玻璃陶瓷材料為近年來最新投入研究的電子俘獲光存儲(chǔ)材料。已有報(bào)道用于電子俘獲的玻璃陶瓷材料有硼酸鹽玻璃陶瓷、氟鋁酸鹽玻璃陶瓷和氟鋯酸鹽玻璃陶瓷等。氟氧化物玻璃陶瓷的研究目前正在進(jìn)行中。玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)是以玻璃作為基質(zhì)，鑲嵌有若干摻有稀土發(fā)光中心的微晶[4]。由于玻璃陶瓷材料均勻且各向同性，不存在雙折射及光散射現(xiàn)象，因此能得到更高的空間分辨率。眾所周知，玻璃陶瓷經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，性質(zhì)穩(wěn)定，易于存放和加工，以此為基質(zhì)，又可克服以往電子俘獲材料穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)。

最近研究的氟氧化物玻璃陶瓷在化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械度、激光損傷敏值等指標(biāo)上都有明顯的優(yōu)越性，而且易制成各種形狀。它雖然在宏觀上獲得了光激勵(lì)發(fā)光，但是有關(guān)光激勵(lì)發(fā)光的來源，以及相關(guān)的電子、空穴俘獲中心的位置和存在方式，存儲(chǔ)能量的傳遞等仍然是有待研究解決的問題。

2 電子俘獲光存儲(chǔ)機(jī)理

電子俘獲是一種光激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象[5]。光激勵(lì)發(fā)光是指材料受到輻照時(shí)，產(chǎn)生的自由電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻照能量存儲(chǔ)起來，當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（波長比輻照光長），這些電子和空穴脫離陷阱而復(fù)合發(fā)光。因而這種材料被形象地稱為“電子浮獲材料”。電子俘獲光存儲(chǔ)寫入與讀出的簡單原理，如圖1所示。

當(dāng)用寫入光輻照時(shí)，材料中產(chǎn)生大量的電子和空穴，這些電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻射能量存儲(chǔ)起來。當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（即讀出光，能量小于寫入光），陷阱中的載流子（電子和空穴）脫離陷阱而與發(fā)光中心復(fù)合發(fā)光。圖1中，過程1表示晶體受電離輻射產(chǎn)生躍過禁帶的自由電子和空穴，過程2、4表示自由電子被俘獲并暫時(shí)存儲(chǔ)在陷阱中，過程3、5存儲(chǔ)在陷阱中的電子和空穴在受可見光或紅外光激勵(lì)時(shí)躍遷出陷阱，又處于自由狀態(tài)，過程6、7、8表示這些自由電子和空穴可以在材料中的某些發(fā)光中心離子的局域能級(jí)上發(fā)生復(fù)合，而把它們所帶的能量以一定波長的能量（hv）釋放出來從而完成整個(gè)讀出及寫入過程。電子俘獲光存儲(chǔ)的寫入（激發(fā)），讀出（激勵(lì)）的波長范圍，受基質(zhì)的晶格影響，也受雜質(zhì)原子，晶格缺陷，以及一些破壞晶格周期性的界面等的影響。破壞了晶格的周期性，就可能在禁帶中形成一些定域能級(jí)，定域能級(jí)的不同，直接影響了激發(fā)、激勵(lì)以及激勵(lì)發(fā)光的不同。電子俘獲材料正是選擇了不同基質(zhì)以及摻雜，得到了不同波段的存取，電子俘獲材料的讀寫波長由材料中的發(fā)光中心決定。

3 存在問題

由以上分析可見，現(xiàn)有的電子俘獲光存儲(chǔ)材料還存在了很多的問題，而解決這些問題的一個(gè)最有效的途徑就是開發(fā)新的材料。硅酸鋅即為一種良好的基質(zhì)材料，它具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、允許高摻量摻雜光活性離子等特點(diǎn)，Zn2SiO4：Mn2+還有良好的發(fā)光性能，且由于其制備簡單，成本低廉已經(jīng)在熒光材料中得到了應(yīng)用。但這種材料在電子俘獲光存儲(chǔ)方面的研究和應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。硅酸鋅的研究已越來越引起人們的重視，必將推動(dòng)光存儲(chǔ)材料的進(jìn)一步研究與開發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙輝，王永生，徐征，等.光激勵(lì)發(fā)光的并行模型[J].物理學(xué)報(bào)，1998 （2）：334-338.

[2]何志毅，王永生，孫力等.SrS：Eu與SrS：Eu，Sm中電子陷阱與光存儲(chǔ)研究[J].物理學(xué)報(bào)，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，秦偉平，陳寶玖等.Tm3+和Er3+共摻雜的氟氧化物玻璃陶瓷材料結(jié)構(gòu)和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2001，22（4）：398-400.

[5]孫力，王永生.電子俘獲光存儲(chǔ)材料的研究進(jìn)展[J].激光與紅外，2001，31（5）：261-265.

[責(zé)任編輯：曹明明]

【摘 要】電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)作為當(dāng)今發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男畔⒋鎯?chǔ)技術(shù)，已越來越引起人們的重視。本文介紹了幾類典型的電子俘獲光存儲(chǔ)材料，分析了各種材料的特點(diǎn)及其存在的問題，并對(duì)電子俘獲光存儲(chǔ)材料的研究進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】電子俘獲材料；光存儲(chǔ)；信息技術(shù)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和信息設(shè)備的迅速更新，各種信息載體對(duì)自身的記憶功能和存儲(chǔ)功能提出了更高的要求。為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，信息載體不僅要求其記憶材料具有信息儲(chǔ)存量大、高存儲(chǔ)密度的功能，而且還要其具有高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲(chǔ)壽命、高的擦寫次數(shù)及很高的重復(fù)操作性。就拿迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)來說，電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)當(dāng)屬發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男畔⒋鎯?chǔ)技術(shù)。

1 幾類典型的電子俘獲光存儲(chǔ)材料

以BaFBr為代表，常用于X射線或紫外光影像存儲(chǔ)。讀出光波長在400～700 nm之間，讀出發(fā)光為380～400nm之間的藍(lán)紫色發(fā)光。該種材料為研究最早、具有最強(qiáng)實(shí)用化程度的電子俘獲材料之一，其光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的研究，奠定了電子俘獲光存儲(chǔ)機(jī)理研究的基礎(chǔ)。

目前BaFX：Eu2+（X=C1，Br）的光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的模型主要有以下幾類：其一，以日本Takahashi K為代表的導(dǎo)帶復(fù)合模型；其二，以德國von Seggern H為代表的隧穿模型；其三，近年新提出的導(dǎo)帶隧穿并行模型[1]。

1.2 AES型電子俘獲材料（AE= Ca，Sr ）

例如SrS：Eu，Sm等。該類材料的寫入光波長在紫外或藍(lán)光區(qū)，讀出光在近紅外區(qū)域，讀出發(fā)光波長范圍從綠光到紅光。除了用于光信息存儲(chǔ)外，該材料還廣泛應(yīng)用于光信息處理中。

對(duì)于SrS：Eu2+，Sm3+的電子俘獲機(jī)理，一般認(rèn)為： Eu2+是發(fā)光中心，Sm3+是電子陷阱，在寫入讀出時(shí)分別產(chǎn)生如下離化、復(fù)合或俘獲過程： Eu2+～Eu3+ +e， Sm3++e～Sm2+，但新的研究發(fā)現(xiàn)將Sm3+獨(dú)立地作為電子陷阱仍存在問題[2]。最新的發(fā)光機(jī)理研究表明，雜質(zhì)引起的缺陷而不是雜質(zhì)本身承擔(dān)電子俘獲中心或空穴俘獲中心，離子雜質(zhì)的價(jià)態(tài)在激發(fā)后的光存儲(chǔ)狀態(tài)下沒有發(fā)生改變。光激勵(lì)吸收帶以外的波長范圍的Sm3+吸收峰（6H5/2-6 F1/2，3/2）沒有發(fā)生變化，由此Sm3+離子在激發(fā)前后的價(jià)態(tài)和數(shù)量并沒有發(fā)生變化，即Sm3+在激發(fā)后沒有因?yàn)殡娮臃@或空穴俘獲轉(zhuǎn)變?yōu)镾m2+或Sm4+[3]。

研究表明，共摻雜時(shí)，Eu2+離子的束縛空穴能力遠(yuǎn)大于Sm3+離子；Sm3+離子的作用就是與俘獲中心組成為復(fù)合體陷阱并影響陷阱能級(jí)的深度，使陷阱在室溫下能穩(wěn)定地存儲(chǔ)電子。一些過渡元素離子或稀土離子也有這個(gè)作用，如Mn、La。

典型的有KC1：Eu、Cs Br：Eu等。其寫入波長為X射線或紫外光，讀出光波長范圍從綠光到紅光，讀出發(fā)光波長范圍從藍(lán)光到綠光。該類型為新興的一類電子俘獲存儲(chǔ)材料，一般具有較深的陷阱，讀出衰減較慢。

在材料改進(jìn)方面，新研究的KCl：Eu，KBr：Eu，NaCl：Cu等的紫外（X射線）存儲(chǔ)，具有相對(duì)較緩慢的讀出衰減，可更好地彌補(bǔ)BaFB：的較快衰減特性。這類材料雖然容易制備成單晶，但是摻雜后易潮解，部分材料還可能具有放射性，不利于民用。而且部分材料的有效原子系數(shù)小，不利于做高能射線存儲(chǔ)，也限制了使用范圍。另外在此類材料中發(fā)現(xiàn)的光激勵(lì)發(fā)光衰減慢的原因尚未得到很好的解釋，深陷阱不易擦除（或存儲(chǔ)信息殘留）對(duì)反復(fù)使用也不利。

1.4 玻璃陶瓷電子俘獲材料

玻璃陶瓷材料為近年來最新投入研究的電子俘獲光存儲(chǔ)材料。已有報(bào)道用于電子俘獲的玻璃陶瓷材料有硼酸鹽玻璃陶瓷、氟鋁酸鹽玻璃陶瓷和氟鋯酸鹽玻璃陶瓷等。氟氧化物玻璃陶瓷的研究目前正在進(jìn)行中。玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)是以玻璃作為基質(zhì)，鑲嵌有若干摻有稀土發(fā)光中心的微晶[4]。由于玻璃陶瓷材料均勻且各向同性，不存在雙折射及光散射現(xiàn)象，因此能得到更高的空間分辨率。眾所周知，玻璃陶瓷經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，性質(zhì)穩(wěn)定，易于存放和加工，以此為基質(zhì)，又可克服以往電子俘獲材料穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)。

最近研究的氟氧化物玻璃陶瓷在化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械度、激光損傷敏值等指標(biāo)上都有明顯的優(yōu)越性，而且易制成各種形狀。它雖然在宏觀上獲得了光激勵(lì)發(fā)光，但是有關(guān)光激勵(lì)發(fā)光的來源，以及相關(guān)的電子、空穴俘獲中心的位置和存在方式，存儲(chǔ)能量的傳遞等仍然是有待研究解決的問題。

2 電子俘獲光存儲(chǔ)機(jī)理

電子俘獲是一種光激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象[5]。光激勵(lì)發(fā)光是指材料受到輻照時(shí)，產(chǎn)生的自由電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻照能量存儲(chǔ)起來，當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（波長比輻照光長），這些電子和空穴脫離陷阱而復(fù)合發(fā)光。因而這種材料被形象地稱為“電子浮獲材料”。電子俘獲光存儲(chǔ)寫入與讀出的簡單原理，如圖1所示。

當(dāng)用寫入光輻照時(shí)，材料中產(chǎn)生大量的電子和空穴，這些電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻射能量存儲(chǔ)起來。當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（即讀出光，能量小于寫入光），陷阱中的載流子（電子和空穴）脫離陷阱而與發(fā)光中心復(fù)合發(fā)光。圖1中，過程1表示晶體受電離輻射產(chǎn)生躍過禁帶的自由電子和空穴，過程2、4表示自由電子被俘獲并暫時(shí)存儲(chǔ)在陷阱中，過程3、5存儲(chǔ)在陷阱中的電子和空穴在受可見光或紅外光激勵(lì)時(shí)躍遷出陷阱，又處于自由狀態(tài)，過程6、7、8表示這些自由電子和空穴可以在材料中的某些發(fā)光中心離子的局域能級(jí)上發(fā)生復(fù)合，而把它們所帶的能量以一定波長的能量（hv）釋放出來從而完成整個(gè)讀出及寫入過程。電子俘獲光存儲(chǔ)的寫入（激發(fā)），讀出（激勵(lì)）的波長范圍，受基質(zhì)的晶格影響，也受雜質(zhì)原子，晶格缺陷，以及一些破壞晶格周期性的界面等的影響。破壞了晶格的周期性，就可能在禁帶中形成一些定域能級(jí)，定域能級(jí)的不同，直接影響了激發(fā)、激勵(lì)以及激勵(lì)發(fā)光的不同。電子俘獲材料正是選擇了不同基質(zhì)以及摻雜，得到了不同波段的存取，電子俘獲材料的讀寫波長由材料中的發(fā)光中心決定。

3 存在問題

由以上分析可見，現(xiàn)有的電子俘獲光存儲(chǔ)材料還存在了很多的問題，而解決這些問題的一個(gè)最有效的途徑就是開發(fā)新的材料。硅酸鋅即為一種良好的基質(zhì)材料，它具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、允許高摻量摻雜光活性離子等特點(diǎn)，Zn2SiO4：Mn2+還有良好的發(fā)光性能，且由于其制備簡單，成本低廉已經(jīng)在熒光材料中得到了應(yīng)用。但這種材料在電子俘獲光存儲(chǔ)方面的研究和應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。硅酸鋅的研究已越來越引起人們的重視，必將推動(dòng)光存儲(chǔ)材料的進(jìn)一步研究與開發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙輝，王永生，徐征，等.光激勵(lì)發(fā)光的并行模型[J].物理學(xué)報(bào)，1998 （2）：334-338.

[2]何志毅，王永生，孫力等.SrS：Eu與SrS：Eu，Sm中電子陷阱與光存儲(chǔ)研究[J].物理學(xué)報(bào)，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，秦偉平，陳寶玖等.Tm3+和Er3+共摻雜的氟氧化物玻璃陶瓷材料結(jié)構(gòu)和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2001，22（4）：398-400.

[5]孫力，王永生.電子俘獲光存儲(chǔ)材料的研究進(jìn)展[J].激光與紅外，2001，31（5）：261-265.

[責(zé)任編輯：曹明明]

【摘 要】電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)作為當(dāng)今發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男畔⒋鎯?chǔ)技術(shù)，已越來越引起人們的重視。本文介紹了幾類典型的電子俘獲光存儲(chǔ)材料，分析了各種材料的特點(diǎn)及其存在的問題，并對(duì)電子俘獲光存儲(chǔ)材料的研究進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】電子俘獲材料；光存儲(chǔ)；信息技術(shù)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和信息設(shè)備的迅速更新，各種信息載體對(duì)自身的記憶功能和存儲(chǔ)功能提出了更高的要求。為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，信息載體不僅要求其記憶材料具有信息儲(chǔ)存量大、高存儲(chǔ)密度的功能，而且還要其具有高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲(chǔ)壽命、高的擦寫次數(shù)及很高的重復(fù)操作性。就拿迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)來說，電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)當(dāng)屬發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮男畔⒋鎯?chǔ)技術(shù)。

1 幾類典型的電子俘獲光存儲(chǔ)材料

以BaFBr為代表，常用于X射線或紫外光影像存儲(chǔ)。讀出光波長在400～700 nm之間，讀出發(fā)光為380～400nm之間的藍(lán)紫色發(fā)光。該種材料為研究最早、具有最強(qiáng)實(shí)用化程度的電子俘獲材料之一，其光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的研究，奠定了電子俘獲光存儲(chǔ)機(jī)理研究的基礎(chǔ)。

目前BaFX：Eu2+（X=C1，Br）的光激勵(lì)發(fā)光機(jī)理的模型主要有以下幾類：其一，以日本Takahashi K為代表的導(dǎo)帶復(fù)合模型；其二，以德國von Seggern H為代表的隧穿模型；其三，近年新提出的導(dǎo)帶隧穿并行模型[1]。

1.2 AES型電子俘獲材料（AE= Ca，Sr ）

例如SrS：Eu，Sm等。該類材料的寫入光波長在紫外或藍(lán)光區(qū)，讀出光在近紅外區(qū)域，讀出發(fā)光波長范圍從綠光到紅光。除了用于光信息存儲(chǔ)外，該材料還廣泛應(yīng)用于光信息處理中。

對(duì)于SrS：Eu2+，Sm3+的電子俘獲機(jī)理，一般認(rèn)為： Eu2+是發(fā)光中心，Sm3+是電子陷阱，在寫入讀出時(shí)分別產(chǎn)生如下離化、復(fù)合或俘獲過程： Eu2+～Eu3+ +e， Sm3++e～Sm2+，但新的研究發(fā)現(xiàn)將Sm3+獨(dú)立地作為電子陷阱仍存在問題[2]。最新的發(fā)光機(jī)理研究表明，雜質(zhì)引起的缺陷而不是雜質(zhì)本身承擔(dān)電子俘獲中心或空穴俘獲中心，離子雜質(zhì)的價(jià)態(tài)在激發(fā)后的光存儲(chǔ)狀態(tài)下沒有發(fā)生改變。光激勵(lì)吸收帶以外的波長范圍的Sm3+吸收峰（6H5/2-6 F1/2，3/2）沒有發(fā)生變化，由此Sm3+離子在激發(fā)前后的價(jià)態(tài)和數(shù)量并沒有發(fā)生變化，即Sm3+在激發(fā)后沒有因?yàn)殡娮臃@或空穴俘獲轉(zhuǎn)變?yōu)镾m2+或Sm4+[3]。

研究表明，共摻雜時(shí)，Eu2+離子的束縛空穴能力遠(yuǎn)大于Sm3+離子；Sm3+離子的作用就是與俘獲中心組成為復(fù)合體陷阱并影響陷阱能級(jí)的深度，使陷阱在室溫下能穩(wěn)定地存儲(chǔ)電子。一些過渡元素離子或稀土離子也有這個(gè)作用，如Mn、La。

典型的有KC1：Eu、Cs Br：Eu等。其寫入波長為X射線或紫外光，讀出光波長范圍從綠光到紅光，讀出發(fā)光波長范圍從藍(lán)光到綠光。該類型為新興的一類電子俘獲存儲(chǔ)材料，一般具有較深的陷阱，讀出衰減較慢。

在材料改進(jìn)方面，新研究的KCl：Eu，KBr：Eu，NaCl：Cu等的紫外（X射線）存儲(chǔ)，具有相對(duì)較緩慢的讀出衰減，可更好地彌補(bǔ)BaFB：的較快衰減特性。這類材料雖然容易制備成單晶，但是摻雜后易潮解，部分材料還可能具有放射性，不利于民用。而且部分材料的有效原子系數(shù)小，不利于做高能射線存儲(chǔ)，也限制了使用范圍。另外在此類材料中發(fā)現(xiàn)的光激勵(lì)發(fā)光衰減慢的原因尚未得到很好的解釋，深陷阱不易擦除（或存儲(chǔ)信息殘留）對(duì)反復(fù)使用也不利。

1.4 玻璃陶瓷電子俘獲材料

玻璃陶瓷材料為近年來最新投入研究的電子俘獲光存儲(chǔ)材料。已有報(bào)道用于電子俘獲的玻璃陶瓷材料有硼酸鹽玻璃陶瓷、氟鋁酸鹽玻璃陶瓷和氟鋯酸鹽玻璃陶瓷等。氟氧化物玻璃陶瓷的研究目前正在進(jìn)行中。玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)是以玻璃作為基質(zhì)，鑲嵌有若干摻有稀土發(fā)光中心的微晶[4]。由于玻璃陶瓷材料均勻且各向同性，不存在雙折射及光散射現(xiàn)象，因此能得到更高的空間分辨率。眾所周知，玻璃陶瓷經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，性質(zhì)穩(wěn)定，易于存放和加工，以此為基質(zhì)，又可克服以往電子俘獲材料穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)。

最近研究的氟氧化物玻璃陶瓷在化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械度、激光損傷敏值等指標(biāo)上都有明顯的優(yōu)越性，而且易制成各種形狀。它雖然在宏觀上獲得了光激勵(lì)發(fā)光，但是有關(guān)光激勵(lì)發(fā)光的來源，以及相關(guān)的電子、空穴俘獲中心的位置和存在方式，存儲(chǔ)能量的傳遞等仍然是有待研究解決的問題。

2 電子俘獲光存儲(chǔ)機(jī)理

電子俘獲是一種光激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象[5]。光激勵(lì)發(fā)光是指材料受到輻照時(shí)，產(chǎn)生的自由電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻照能量存儲(chǔ)起來，當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（波長比輻照光長），這些電子和空穴脫離陷阱而復(fù)合發(fā)光。因而這種材料被形象地稱為“電子浮獲材料”。電子俘獲光存儲(chǔ)寫入與讀出的簡單原理，如圖1所示。

當(dāng)用寫入光輻照時(shí)，材料中產(chǎn)生大量的電子和空穴，這些電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中，從而將輻射能量存儲(chǔ)起來。當(dāng)受到光激勵(lì)時(shí)（即讀出光，能量小于寫入光），陷阱中的載流子（電子和空穴）脫離陷阱而與發(fā)光中心復(fù)合發(fā)光。圖1中，過程1表示晶體受電離輻射產(chǎn)生躍過禁帶的自由電子和空穴，過程2、4表示自由電子被俘獲并暫時(shí)存儲(chǔ)在陷阱中，過程3、5存儲(chǔ)在陷阱中的電子和空穴在受可見光或紅外光激勵(lì)時(shí)躍遷出陷阱，又處于自由狀態(tài)，過程6、7、8表示這些自由電子和空穴可以在材料中的某些發(fā)光中心離子的局域能級(jí)上發(fā)生復(fù)合，而把它們所帶的能量以一定波長的能量（hv）釋放出來從而完成整個(gè)讀出及寫入過程。電子俘獲光存儲(chǔ)的寫入（激發(fā)），讀出（激勵(lì)）的波長范圍，受基質(zhì)的晶格影響，也受雜質(zhì)原子，晶格缺陷，以及一些破壞晶格周期性的界面等的影響。破壞了晶格的周期性，就可能在禁帶中形成一些定域能級(jí)，定域能級(jí)的不同，直接影響了激發(fā)、激勵(lì)以及激勵(lì)發(fā)光的不同。電子俘獲材料正是選擇了不同基質(zhì)以及摻雜，得到了不同波段的存取，電子俘獲材料的讀寫波長由材料中的發(fā)光中心決定。

3 存在問題

由以上分析可見，現(xiàn)有的電子俘獲光存儲(chǔ)材料還存在了很多的問題，而解決這些問題的一個(gè)最有效的途徑就是開發(fā)新的材料。硅酸鋅即為一種良好的基質(zhì)材料，它具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、允許高摻量摻雜光活性離子等特點(diǎn)，Zn2SiO4：Mn2+還有良好的發(fā)光性能，且由于其制備簡單，成本低廉已經(jīng)在熒光材料中得到了應(yīng)用。但這種材料在電子俘獲光存儲(chǔ)方面的研究和應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。硅酸鋅的研究已越來越引起人們的重視，必將推動(dòng)光存儲(chǔ)材料的進(jìn)一步研究與開發(fā)。

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[責(zé)任編輯：曹明明]