2.2 Устройства памяти

Устройства функциональной теплоэлектроники для записи и хранения информации стали возможны в связи с широким освоением лазеров как источников тепловой энергии с заданными параметрами.

В качестве континуальных сред используются так называемые термооптические запоминающие среды (ТОЗС) двух типов.

К первому типу отнесят реверсивные среды, в которых под действием лазерного излучения возникают (или генерируются) динамические неоднородности способные хранить информацию определенное время. Затем динамические неоднородности рассасываются естественным способом или под действием физических полей и среда восстанавливает первоначальные свойства.

Ко второму типу сред отнесят такие вещества, у которых под действием лазерного излучения формируются динамические неоднородности тепловой природы, способствующие протеканию необратимых процессов, приводящих к формированию статических неоднородностей. Другими словами, в этих средах динамические неоднородности "замораживаются" и превращаются в статические неоднородности, представляющие собой информационные зоны или биты информации.

Минимальная энергия лазерного импульса E_min необходимая для записи одного бита информации можно оценить из соотношения

Q=E_minK_оптK_терм

где Q - тепловая энергия, достаточная для формирования одного бита информации, К_опт - оптическая эффективность преобразования оптической энергии излучения в тепло, К_терм - термическая эффективность процесса записи.

Процесс записи информации имеет пороговый характер, и пороговая энергия Е_п=Р_пτ образования одного бита определяется в единицах с размерностью Дж/см², где Р_п - пороговая мощность излучения (Вт), τ - длительность импульса (с).

В качестве записывающих сред второго типа часто используют слоистые структуры, состоящие из пленок легкоплавких металлов на подложке из полиметилакрилата (ПММА). Материалы с высокой степенью плавления или испарения своих компонентов (таких элементов как Zn, Sn, Bi, Те) позволяют использовать лазерные источники с небольшой энергией излучения (~10^–2 Вт). С целью более полного поглощения лазерного излучения в подложке ПММА вводят органические красители. В этом случае пороговая энергия составляет ~10^–9 Дж/мкм².

Процесс образования динамической неоднородности тепловой природы под воздействием лазерного излучения на среду может быть описан уравнениями теплопроводности для термочувствительного слоя:

и для подложки:

где ρ, С, k – соответственно плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности для слоя (с) и подложки (п) с соответствующими индексами, R - коэффициент отражения лазерного излучения, а - коэффициент поглощения в термочувствительном слое, Р₀ - плотность мощности излучения лазера.

Решение этих уравнений при начальных условиях t=0 и Т_С=Т_n=0 и граничных х = α и имеет вид:

где С_Э – эквивалентная теплоемкость, r₀ - радиус пучка лазера, r – радиус битовой зоны, , - форма лазерного пучка во времени.

На рис. 8.4.а. приведены кривые распределения температуры в центре зоны облучения для пленки Te/SiO₂ при Р₀= 6 мВт, r = 0,58 мкм и τ = 45 нс, а на рис. 8.4.б. - распределение температуры во время нагрева в пленке Те/ПММА при лазерных параметрах Р = 5 мВт, τ = 80 нс, r = 0,32 мкм.

Рис 8– Зависимость температуры в центре зоны облучения пленки Те (а) и ее распределение при поглощении излучения на стадии нагрева (б): 1-15 нс; 2-21 нс; 3 - 45 нс; 4 - 60 нс; 5 - 81 нс.

Тепловой импульс в континуальных средах второго рода приводит к необратимым процессам, и в них формируются статические неоднородности или информационные зоны, идентифицируемые как записанные биты информации. Различают несколько типов таких "замороженных" динамических неоднородностей тепловой природы.

Основной формой регистрации динамической неоднородности в пленке Те на ПММА является форма отверстий типа "смачивающий тор" (рис.9). При записи информации лазерным излучением, близким к Е_пор , радиусы образующихся отверстий составляют 0,1...0,3 мкм и могут отличаться в два-четыре раза.

Рисунок 9 Информационная зона в устройстве памяти вида «смачивающий тор»

Если в качестве регистрирующей среды использовать текстурирован-ный германий с большой свободной поверхностью, то при тех же пороговых энергиях можно получить более ровные информационные зоны (рис. 10).

Рисунок 10 – Отверстия в текстурированном Ge

Образование информационного бита в металлической пленке на пластиковой подложке происходит в виде микровздутий за счет газовыделения материала подложки при разогреве лазерным лучем (рис. 11). Давление газов, выделяющихся из подложки, вызывает пластическую деформацию металлического слоя. Лучше использовать золотые или платиновые пленки (~ 20 нм), допускающие деформацию своей поверхности без разрывов до 300% и обладающие достаточно высокой стойкостью. Такие материалы позволяют тиражировать информацию методом тиснения.

Рисунок 10 – Микровздутия в металлической пленке

Все указанные способы формирования информационных битов относятся к цифровым способам. Таким образом, сформированная память может применяться для архивного хранения информации. При этом сохраняются неизменными такие параметры записи, как чувствительность, контраст, отношение сигнал/шум.

Д ля увеличения срока хранения информации часто используют полимерное покрытие (рис. 11).

Рис. 11 –Защита бита полимерным покрытием

Существует большое количество устройств памяти с использованием лазерной записи. Наиболее широко распространены лазерные диски. Если пленку из теллура заменить на пленку из сплава селена, цинка и сурьмы, то можно менять локальную отражательную способность такой пленки под действием лазерного излучения. Можно даже восстановить первоначальное состояние отражательной способности путем облучения ее лазерными импульсами другой длины волны: Таким образом можно создать реверсивную запоминающую среду. Плотность записи информации на таких оптических дисках составляет ~ 10¹⁰ бит/см².