一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法及应用与流程

本发明涉及大数据时代信息存储领域，尤其是全息光存储技术领域，具体涉及一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法及应用。

背景技术：

随着大数据时代的到来，数据的战略地位越发显著，美国将数据称为“未来的新石油”。在如此庞大的数据量中，有80％的数据都是人们不常使用的冷数据，因此海量冷数据的存储尤为重要。包括磁存储、光盘存储在内的传统数据存储方式正面临着能耗挑战、安全挑战、和存储容量挑战等诸多难题，这使全息光存储迎来了新的发展机遇。全息光存储是通过在光敏介质中存储物光和参考光的相干光场来进行信息存储的，特殊的存储方式使得其在高密度、低能耗、长期安全等方面具有显著优势。而如何使全息光存储进一步商业化，也就是如何让全息光盘更好的实用化还面临一些问题，比如全息光盘制备条件的便捷性和成熟化，较低的成本，光盘的稳定性等。而解决这些问题的关键在于探索具有高稳定性、可大面积制备、性价比更高的光敏介质。

对于之前研究较多的金属银纳米粒子与二氧化钛半导体氧化物结合的体系，当银纳米粒子与二氧化钛复合后，银纳米粒子的等离激元共振吸收被展宽，从可见区到近红外区均有比较强的吸收，使得ag/tio2复合薄膜可以与多波长的光进行响应。此外，由于银纳米粒子的形貌、尺寸在生长过程中的可调节性，使得其对不同偏振态的光有较高灵敏度。因此，在之前的研究中很好地实现了波长复用和偏振复用，进而提高了存储密度，但是，该体系下由于吸收光谱过宽使得读出光对信息的写入具有破坏性，信息存储稳定性较差。

碳量子点具有易合成、制造成本低、无毒、高生物相容性和稳定性等特点，以及优异的上转换光致发光和光诱导电子/电荷转移的光学性能，和等离子体表面增强的电学性能，这些优势使碳量子点在很多领域中有所应用。在最新的研究中发现，碳量子点/二氧化钛复合薄膜不仅具有双向光致变色特性，还能够改善信息存储的稳定性，但目前碳量子点/二氧化复合钛薄膜还存在着信息存储速度慢，衍射效率低的问题。因此，急需一种低制备成本的存储介质制备方法，以制备一种具有高信息存储稳定性、高衍射效率的存储介质，让全息光盘存储更好的实用化。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法及应用。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种水凝胶修饰的高稳定性碳基全息光盘的制备方法，包括如下步骤：

s1、采用丝网印刷技术在光盘型玻璃衬底的表面上制备二氧化钛薄膜，对二氧化钛薄膜进行固化，再进行高温退火处理，得到多孔二氧化钛薄膜；

s2、将多孔二氧化钛薄膜浸在碳量子点溶液中，使多孔二氧化钛薄膜负载碳量子点，得到碳量子点/二氧化钛复合薄膜；

s3、将碳量子点/二氧化钛复合薄膜浸在硝酸银溶液中并采用紫外灯辐照碳量子点/二氧化钛复合薄膜，在碳量子点/二氧化钛复合薄膜上沉积银纳米粒子，得到银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜；

s4、采用提拉浸渍法在银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜表面附着一层水凝胶，水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘制备完成。

一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法所制备的水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘。

水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘，所述水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘应用在全息光存储中。

本发明的有益效果是：

本发明一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法方便可靠且适用于商业化大量生产，同时制备成本低，且对环境无污染。制备的碳基全息光盘具有信息存储高稳定性、高效率、高均匀性的性能优势，这使全息光存储在未来数据存储领域脱颖而出成为可能，能够很好地应用于全息数据存储领域。

附图说明

图1为本发明一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法流程图。

图2为本发明的多孔二氧化钛薄膜表面的扫描电子显微镜图像。

图3为本发明的多孔二氧化钛薄膜截面的扫描电子显微镜图像。

图4为纯tio2薄膜、cqds/tio2复合薄膜、ag/cqds/tio2复合薄膜的吸收光谱图。

图5为ag/cqds/tio2复合薄膜在405nm激光激发下的差分吸收光谱图。

图6为ag/tio2复合薄膜和ag/cqds/tio2复合薄膜在405nm波长激光写入、671nm读出光下的全息光栅生长动力学曲线。

图7为cqds/tio2复合薄膜和ag/cqds/tio2复合薄膜在405nm波长激光写入、671nm读出光下的全息光栅生长动力学曲线。

图8为ag/tio2复合薄膜和ag/cqds/tio2复合薄膜在405nm波长激光写入、721nm读出光下的全息光栅生长动力学曲线。

图9为cqds/tio2复合薄膜和ag/cqds/tio2复合薄膜在405nm波长激光写入、721nm读出光下的全息光栅生长动力学曲线。

图10为ag/cqds/tio2复合薄膜和ag/tio2复合薄膜在相同测试条件下样品均匀性的差分棒曲线

图11为ag/cqds/tio2复合薄膜和cqds/tio2复合薄膜在相同测试条件下样品均匀性的差分棒曲线。

图12为ag/cqds/tio2复合薄膜在有无水凝胶修饰的不同情况下，在671nm波长读出、405nm波长激光写入下的全息光栅生长动力学曲线。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法，如图1，具体步骤如下：

s1、采用丝网印刷技术在光盘型玻璃衬底的表面上制备二氧化钛薄膜，对二氧化钛薄膜进行固化，对固化后的二氧化钛薄膜进行高温退火处理得到多孔二氧化钛薄膜。

s1的具体过程为：取光盘型玻璃衬底，为圆环形，尺寸为外径80mm,内径21mm，准备好购买的商业二氧化钛浆料，用酒精棉对丝网印刷机的模板和刮刀进行擦拭，后用气枪吹干，光盘型玻璃衬底置于丝网印刷机上，将二氧化钛浆料涂敷在模板的最前端，启动丝网印刷机进行刮涂，在光盘型玻璃衬底的正面制备了一层二氧化钛薄膜。通过自动丝网印刷机制备的二氧化钛薄膜很均匀且成膜性很好。将具有二氧化钛薄膜的光盘型玻璃衬底放置在热盘上，将对二氧化钛薄膜进行热盘加热使二氧化钛薄膜固化，具体为130℃维持20分钟，待热盘温度降至室温，取下光盘型玻璃衬底放入马弗炉中进行高温退火处理，500℃退火1h，得到多孔二氧化钛薄膜。多孔二氧化钛薄膜包括光盘型玻璃衬底和位于光盘型玻璃衬底上的二氧化钛薄层，二氧化钛薄层为多孔二氧化钛薄层。

s2、将多孔二氧化钛薄膜浸在碳量子点溶液中使多孔二氧化钛薄膜负载碳量子点，得到碳量子点/二氧化钛复合薄膜。

s2的具体过程为：配置碳量子点溶液，利用电子天平秤称取等质量的尿素和对苯二胺，按1:1的重量比例混合，这里我们是分别称取等质量的尿素和对苯二胺各0.2g，用量筒称取50ml的纯水(或超纯水)，将尿素、对苯二胺和纯水依次放入高温高压反应釜中，密封高温高压反应釜后超声处理20min，然后将反应釜放入烘箱中加热，烘箱180℃维持8小时，待反应釜完全降温至室温后，取出溶液，即得到碳量子点溶液。使用水平仪在实验台上找到水平度最好(最水平)的位置，将培养皿放在该位置，然后放入多孔二氧化钛薄膜，最后倒入碳量子点溶液，直至二氧化钛薄膜完全浸没在其中，密封培养皿后室温浸渍2h后取出，得到有碳量子点负载的多孔二氧化钛薄膜，即碳量子点/二氧化钛复合薄膜(cqds/tio2复合薄膜)。从碳量子点溶液中取出碳量子点/二氧化钛复合薄膜，用纯净水冲洗碳量子点/二氧化钛复合薄膜再用空气枪吹干碳量子点/二氧化钛复合薄膜。cqds/tio2复合薄膜呈现出浅粉红色。

s3、将碳量子点/二氧化钛复合薄膜浸在硝酸银溶液中并采用紫外灯光辐照碳量子点/二氧化钛复合薄膜，在碳量子点/二氧化钛复合薄膜上沉积银纳米粒子，得到银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜。

s3的具体过程为：称取1.7g硝酸银固体颗粒溶于98ml的纯水中，利用磁力搅拌器搅拌30min后加入2ml乙醇再继续搅拌20min，得到硝酸银溶液。将碳量子点/二氧化钛薄膜水平放入培养皿中，将硝酸银溶液倒入培养皿内，使碳量子点/二氧化钛薄膜完全浸没，利用紫外灯管对硝酸银溶液以及浸没在其中的碳量子点/二氧化钛薄膜进行辐照，紫外光功率密度为1mw/cm²，紫外光辐照15分钟后，有银纳米粒子生成，并且银纳米粒子沉积在碳量子点/二氧化钛复合薄膜中，银纳米粒子位于碳量子点/二氧化钛复合薄膜的多孔中也位于碳量子点/二氧化钛复合薄膜表面上，得到的银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜。在紫外光的激发下，二氧化钛和碳量子点共同释放电子，将硝酸银溶液中的ag 还原为银纳米粒子(agnps)，相应的薄膜变为深棕色，将紫外光还原银后的银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜(ag/cqds/tio2复合薄膜)，从硝酸银溶液中取出银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜，用纯水冲洗银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜，再用空气枪吹干冲洗后的银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜。

s4、采用提拉浸渍法在银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜表面附着一层水凝胶，水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘制备完成。

s4的具体过程为：称取0.5g琼脂糖微粒和50ml的纯水，依次放入100ml的烧杯中，利用温度可调的磁力搅拌器190℃恒温搅拌30min，直至混合溶液沸腾并呈清澈溶液状。将银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜的光盘型玻璃衬底通过吸盘固定在提膜机上，让吸盘吸在光盘型玻璃衬底反面(不具有二氧化钛的表面)，光盘型玻璃衬底正面水平向下，光盘型玻璃衬底下方放置装有温度为80摄氏度水凝胶溶液的培养皿，通过提拉浸渍法制备水凝胶层，在提拉浸渍过程中，光盘型玻璃衬底上升和下降的速度均为4.5mm/s，在水凝胶溶液中浸渍时间为4s，待提拉浸渍完成后，银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜表面上具有一层水凝胶，让光盘型玻璃衬底静置悬挂5分钟后取下光盘型玻璃衬底，再在室温下用红外灯照射水凝胶层5分钟，使水凝胶层固化，固化后得到水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘。

图2和图3为多孔二氧化钛薄膜的扫描电子显微镜图像，通过图2可以观察到多孔二氧化钛薄膜上表面的孔径分布广泛，从10nm～100nm均有分布，多孔二氧化钛薄膜的二氧化钛薄层的厚度为2.467μm，由此这种多孔型、厚度在2.4μm左右的二氧化钛薄层有利于碳量子点(cqds)在其内部和表面的锚定，同时也为碳量子点和银纳米粒子(ag_nps)提供更多的交流和反应位点，进而促进电荷的转移。

取纯二氧化钛(tio2)薄膜、碳量子点/二氧化钛(cqds/tio2)复合薄膜和银/碳量子点/二氧化钛(ag/cqds/tio2)复合薄膜，利用uv1900pc型紫外-可见分光光度计测量上述三种薄膜的吸收光谱，测试结果如图4和图5所示，图4为纯tio2薄膜、cqds/tio2复合薄膜、ag/cqds/tio2复合薄膜的吸收曲线，图5为ag/cqds/tio2复合薄膜在405nm激光激发下的差分吸收光谱图。由图4吸收光谱图可看出，纯tio2薄膜在可见光波段几乎没有吸收，仅在紫外区380nm左右有带边吸收，而负载了碳量子点和银纳米粒子后均有效提高了薄膜在400nm-650nm的可见光波段的吸光度。图5中有9条差分吸收光谱曲线，分别对应10s、30s、60s、120s、3min、5min、7min、10min和20min时薄膜的差分吸收光谱曲线，可以观察到ag/cqds/tio2复合薄膜在405nm(功率3mw)激光激发下，随着光激发时间的增加，薄膜的吸光度降低，差分吸收光谱在400nm处出现光谱烧孔。该过程是由于在405nm激光辐照下，ag/cqds/tio2复合薄膜中的银纳米粒子发生了表面等离激元共振效应进而产生电子转移，agnps被溶解转为ag ，进而形成了光谱烧孔。

对ag/tio2复合薄膜、cqds/tio2复合薄膜、ag/cqds/tio2复合薄膜进行了信息存储稳定性测试，如图6至图9的全息光栅动力学生长曲线。测试方法为：405nn波长的激光作为写入光，通过半反半透镜分为两束相干的参考光，用于全息光栅的写入，671nm或721nm的红光作为读出光，写入光束和读出光束同时辐照薄膜上的同一点，然后通过光电探测器实时监测读出光的一级衍射信号，即可得到全息动力学的光栅生长曲线。首先是405nm激光作为写入光，671nm激光作为读出光时，由图6可知在信息写入过程中ag/cqds/tio2复合薄膜的衍射效率明显高于ag/tio2复合薄膜，且光栅生长过程稳定连续。在1500s时关闭405nm写入光，仅让671nm红光继续探测光栅的衍射信号，观察到ag/tio2复合薄膜的衍射效率呈e指数衰减，我们用如下一阶衍射效率η与时间(1500s-3000s)的拟合方程进行拟合：

η＝η0×exp[-(t-t0)/τ]

其中t0＝1500s，η0是t0＝1500s时的衍射效率，τ是时间衰减因子，τ越小代表曲线衰减越快。在图6中，ag/cqds/tio2复合薄膜的τ＝1609.01s，而ag/tio2复合薄膜的τ＝613s，由此可见ag/cqds/tio2复合薄膜信息存储的稳定性明显高于ag/tio2复合薄膜，这是由于ag/tio2复合薄膜在长波长处还有比较高的吸光度，因此671nm的读出光对信息写入过程损害较大。而从图7中可以看到相同测试条件下cqds/tio2薄膜在关闭写入光后曲线并没有下降，因此可知碳量子点的引入确实能够提高信息存储的稳定性。此外，我们还换用721nm的红光作为读出光进行了相同的测试，如图8和图9所示，此时ag/tio2复合薄膜在关闭写入光后曲线仍有略微衰减，而ag/cqds/tio2复合薄膜不仅衍射效率仍高于ag/tio2复合薄膜，而且在写入光关闭后曲线不但没有衰减还有增长趋势。相似的721nm红光作为读出光时，cqds/tio2薄膜信息存储依然稳定。

对于传统的银/二氧化钛体系，在可见光辐照下，银纳米粒子由于表面等离激元共振释放出电子，并向二氧化钛转移，银纳米粒子发生溶解。然而，二氧化钛在短波写入光405nm的照射下也会产生电子，可以回流到银纳米粒子，导致银纳米粒子的二次还原、恢复原状，这种循环的光化学过程就影响了信息写入过程以及信息存储过程的稳定性。碳量子点的引入能够很好的解决这个问题，因为碳量子点不仅可以提供电子作为还原剂还能接收并储存电子，在二氧化钛电子回流过程中，绝大部分电子都被吸附在其表面的碳量子点接收，从而阻止了银纳米粒子的二次还原，进而保护了信息存储的稳定性。

图10是对ag/cqds/tio2复合薄膜和ag/tio2复合薄膜进行均匀性测试的结果图，图11是对ag/cqds/tio2复合薄膜和cqds/tio2复合薄膜进行均匀性测试的结果图，均匀性采用的测试方法是：405nm波长的光作为写入光，671nm的红光作为读出光，在同一个薄膜上逐个换点测试9个点，然后对9条动力学光栅生长曲线进行比较，通过对数据进行处理计算出相应的平均值和误差值，误差值的大小用误差棒表示，误差棒越长代表误差值越大，在这里就是动力学曲线的差别越大即同一个薄膜不同点的误差越大，也就是薄膜均匀性差。我们在一条动力学曲线上做6个误差棒，代表样品均匀性，如图10和图11，从图中可以看到，ag/cqds/tio2复合薄膜动力学曲线上的6个误差棒长度明显较短且长度均匀，说明该薄膜具有较好的均匀性；而ag/tio2复合薄膜动力学曲线上的误差棒长度相对最长，且随信息记录时间的增长，误差越大，说明其薄膜均匀性较差；同样cqds/tio2复合薄膜在短时间记录400s之前误差较小，然而随着记录信息时间的增长，误差也越来越大，因此可以看到，制备的ag/cqds/tio2复合薄膜不仅具有高稳定性、高效率、同样具有高均匀性。

综上可见，ag/cqds/tio2复合薄膜相比于ag/tio2复合薄膜和cqds/tio2复合薄膜具有衍射效率高，信息存储稳定性好的优势。此外，水凝胶作为功能层附着在ag/cqds/tio2复合薄膜表面，进一步提升光盘的性能，当在ag/cqds/tio2复合薄膜附着一层水凝胶之后(ag/cqds/tio2(水凝胶))，在405nm激光写入，671nm红光读出时，如图12，ag/cqds/tio2复合薄膜的衍射效率增强且关闭写入光后也保持稳定，其τ＝2011.23s。水凝胶的引入使ag/cqds/tio2复合薄膜的衍射效率和稳定性均有所改善的原因是，水凝胶通常表现出优异的生物相容性，具有高保水性能以及光敏性，水凝胶作为功能层覆盖在ag/cqds/tio2复合薄膜表面，能为纳米粒子的氧化还原反应提供更有利的湿度发生环境；其次，水凝胶的附着使ag/cqds/tio2复合薄膜中的ag纳米粒子分布更稳定，改善了信息存储过程中因ag纳米粒子的自迁移而影响存储稳定性的问题，进而实现了高效率、高稳定性的存储。

本发明一种水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘的制备方法便捷可靠，且成本低，自动丝网印刷机的引用使得该方法制备的全息光盘可实现商业化生产；其次，该方法制备的碳基全息光盘中碳量子不仅能够在紫外光还原银纳米粒子时作为电子供体与二氧化钛共同释放电子，将ag 还原为agnps(银纳米粒子)，还能作为电子受体在信息写入过程中接收agnps由于光激发产生表面等离激元共振效应时所释放的电子。

纯二氧化钛薄膜在可见光波段几乎没有吸收，仅在紫外区有吸收带，但碳量子点和银的引入有效增强了二氧化钛在可见波段的吸收，并能有效抑制光生电子空穴对的分离，因此，碳量子点和银共同敏化的二氧化钛薄膜相对于银/二氧化钛、碳量子点/二氧化钛薄膜具有信息存储效率更高，信息存储稳定性更好，以及薄膜均匀性更佳的优势。

再通过水凝胶的作用，使银/碳量子点/二氧化钛复合薄膜中ag纳米粒子分布更稳定，改善了信息存储过程中因ag纳米粒子的自迁移而影响存储稳定性的问题，进而实现了高效率、高稳定性的存储。

水凝胶修饰的高稳定碳基全息光盘制备方法的可实施性以及光盘在高稳定性、高效率、高均匀性等方面的性能优势，使得全息光盘的实用化得到进一步发展，碳基全息光盘能够应用于全息数据存储领域，推动了全息光存储技术在未来信息存储领域商业化应用。