книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

Оптические бистабильные устройства могут стать базовыми элементами систем оптической обработки информации, оптических логических и компьютерных систем.

8.3. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ

Голографические элементы памяти используют для записи, хранения и восстановления изображений (явление голографии). Это аналоговые элементы памяти. Их оптическая плотность носителя информации, например эмульсионного слоя фотопластинки, меняется непрерывно.

Запоминающие голографические устройства (ЗГУ) используют голографический способ записи, хранения, восстановления информации, представленной в двоичном коде, алфавитно-цифровом виде или в виде изображений. Информация записывается как плоская или объемная, амплитудная, фазовая или поляризационная голограмма. Дости-

гается большая плотность информации 105 бит/мм2 , высокая помехо-

устойчивость и надежность.

Голограмма как оптический элемент – это периодическая структура с промодулированным амплитудным пропусканием, обусловленным изменением проводимости или/и диэлектрической проницаемости . На периодической структуре освещающая волна дифрагирует и преобразуется в другую волну. Голограммы называют фазовыми, если модуляция амплитудного пропускания обусловлена только изменением , и амплитудными голограммами в случае изменения .

8.3.1. Оперативные запоминающие голографические устройства

Данные разбиваются на страницы объемом 103–104 бит, каждая из которых записывается в виде отдельной голограммы. Весь массив данных записывается и хранится в виде матрицы голограмм на светочувствительном материале, называемом носителем информации. Любая страница может быть считана лазерным лучом.

Основные элементы ЗГУ приведены на рис. 8.8: лазер, дефлектор (Д), устройство для набора страниц (УНС), носитель информации, фотоматрица (ФМ), оптические элементы.

172

и тот же участок фотоматериала V можно последовательно впечатать голограммы различных объектов (O1, O2 , ...) при разных направлениях

опорной волны (R1, R2 , ...) и длинах волн записывающего излучения ( 1, 2 , ...) (рис. 8.10). Каждая из записанных голограмм может быть

считана затем независимо, если ее восстановить волной, совпадающей с опорной волной, использованной при записи.

Рис. 8.9. Фурье-голограмма двоичной входной страницы (а) и изображение двоичной входной страницы (б)

Рис. 8.10. Селективные (избирательные) свойства трехмерной голограммы

При таком способе записи информации элементами, в которых она хранится, являются трехмерные гармоники ( , , ) изменения показа-

теля преломления, каждая из которых заполняет весь объем голограммы. Количество таких независимых элементов равно числу пространственно локализованных ячеек размером ( ) , которое можно вместить

174

в объеме V. Например, при записи в видимом диапазоне 0,5 мкм в 1 см3 помещается 1013 независимых гармоник.

Трехкоординатные ЗГУ используют объемные голограммы. Для различения наложенных объемных голограмм используется их угловая селективность. Она основана на изменении несущей пространственной частоты. Третьей координатой выбирается угол падения опорного пучка.

Для записи объемных голограмм используют электрооптические кристаллы LiNbO3, Ba0,75Sr0,25Nb2O6. Записывается порядка 100 голо-

грамм на кристалл. Плотность записи информации 105–106 бит/мм2. Емкость ЗГУ составляет 1012 бит. Они перспективны для создания ар-

хивной памяти.

Если трехмерная голограмма записывается в анизотропной среде, например в кристалле LiNbO3, то структура голограммы характеризу-

ется вариациями тензора диэлектрической проницаемости. Важное свойство анизотропных трехмерных голограмм – это их способность изменять состояние поляризации падающей на них волны. Используя это явление, считывают трехмерные голограммы излучением, отличным по длине волны, которое использовалось при записи.

8.4. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ОДНОКВАНТОВЫХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ ПАМЯТИ4

Джозефсоновский контакт (ДК) – тонкая изолирующая прослойка между двумя сверхпроводниками.

Стационарный эффект Джозефсона (1962 г.) – протекание сверхпроводящего тока через тонкую изолирующую прослойку между двумя сверхпроводниками:

I Ic sin 2 1 ,

где 1 – фаза волновой функции в первом сверхпроводнике; 2 – фаза

волновой функции во втором сверхпроводнике после диэлектрической прослойки.

4 По материалам работы [4].

175

Если увеличивать ток через контакт, то происходит переход из стационарного режима (когда ток есть, а напряжения практически нет) в нестационарный режим (когда при достижении некоторого критического тока на контакте возникает напряжение). Критический ток складывается из тока сверхпроводящих спаренных электронов и тока нормальных электронов.

Если теперь уменьшать ток через ДК, то нестационарный эффект Джозефсона (напряжение на контакте) сохраняется до значений тока, меньших значений критического тока, а затем напряжение и ток падают до нуля. Вольт-амперная характеристика туннельного контакта Джозефсона имеет гистерезис (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Вольт-амперная характеристика туннельного контакта Джозефсона

При нестационарном эффекте Джозефсона разность фаз на кон-

такте зависит от времени:

где V – напряжение на контакте; e – заряд электрона.

Частота сверхпроводящего переменного тока, который генерируется при при постоянном напряжении на ДК,

Формулы (8.9) и (8.10) называются соотношениями Джозефсона.

Свойство контактов Джозефсона переключаться с нулевого на конечное напряжение при превышении током критического значения в совокупности с малой емкостью позволяет использовать их вкачестве быстродействующихэлементовЭВМ.

176

Минимальный размер одноквантовых джозефсоновских элементов памяти ограничен снизу величиной порядка глубины проникновения 0,1 мкм, обеспечивающей плотность записи информации

104–105 бит/мм2. Значения времени переключения элементов памяти при температуре жидкого азота составляют 10–11 с.

Одноэлектронные элементы памяти работают на туннелировании одиночных электронов в туннельных переходах сверхмалых размеров. Их минимальный размер ограничен толщиной туннельной прослойки (3–4) нм.

8.5. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА5

Это запоминающие устройства следующего поколения в силу низкого потребления энергии, высокой скорости чтения/записи и потенциально высокой плотности. Для них требуются тонкие сегнетоэлектрические пленки с большой остаточной поляризацией Ps, высокой устойчивостью к повторным включениям бистабильных состояний поляризации, синтезируемые при минимально возможном значении температуры 650 С.

Существует два типа сегнетоэлектрических оксидов: цирконаттитан свинца (PZT) со структурой перовскита и второй – висмутовые сегнетоэлектрики со структурированными слоями, обладающие слоистой

перовскитнойструктурой. Это SrBi2Ta2O9 SBT Bi4Ti3O12 BiT . Сокра-

щенныеобозначенияматериала – вскобках.

Сегнетоэлектрик PZT имеет высокую поляризацию Ps 20...40 мКл/см2. Пленки PZT с платиновыми (Pt) электродами

характеризуются явлением усталости при переполяризации и содержат неэкологичный свинец.

Далее будем рассматривать кристаллическую структуру висмутовых сегнетоэлектриков со структурированными слоями (рис. 8.12). В структуре таких кристаллов перовскитные блоки размещаются между слоями Bi2O2. Сами перовскитные блоки (Am 1BmO3m 1) состоят из m

слоев октаэдров с катионами в позициях А. Слои Bi2O2 действуют как

5 По материалам работы [5].

177

изолирующие параэлектрические слои и играют важную роль для поляризационных свойств, обеспечивают долговечность сегнетоэлектрического конденсатора. Сегнетоэлектричество возникает в перовскитных блоках. Диэлектрическая и сегнетоэлектрическая анизотропии сильно зависят от количества слоев m.

Рис. 8.12. Структура висмутовых сегнетоэлектриков со структурированными слоями: a – SrBi2Ta2O9 SBT ,

б– Bi4Ti3O12 BiT , в – BaBi4Ti4O15 BBTi , г – Bi4Ti3O12 BaBi4Ti4O15

BiT–BBTi . Количество октаэдров BO6 в одном слое

обозначается как m [5]

Монокристаллы Bi4Ti3O12 Bi4Ti3O12 BiT–BBTi со структурированной сверхрешеткой имеют чередующиеся по оси с слои m 3 BiT

и m 4 ВBiT . Эти монокристаллы достигли значения поляризации

и BaBi4Ti4O15 BBTi , Ps 16 мКл/см2.

Монокристаллы BiT–BBTi со структурированной сверхрешеткой, обладающие 90°-ной доменной структурой, были получены методом выращивания из расплава смеси порошков BaCO3, Bi2O3, TiO2. Струк-

тура была подтверждена данными рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной спектроскопией. Диэлектрические измерения показали, что точка Кюри монокристалов составляет 540 °С. Поляриза-

178

ция Ps 52 мКл/см2 предполагает, что большое значение поляризации

для BiT–BBTi обусловлено замещением Ba на Bi и нарушением локальной симметрии слоев Bi2O2.

На рис. 8.13, а показана электронная ПЭМ-микрофотография монокристаллов BiT–BBTi. На рис. 8.13, б показана микрофотография области, окруженная на рис. 8.13, а белым прямоугольником. Толщина составляющих слоев примерно 1,5 и 2,0 нм.

Рис. 8.13. Результаты структурного анализа монокристаллов BiT–BBTi:

а – электронная ПЭМ-микрофотография в плоскости а (bc);

б– схематическое изображение кристаллической структуры [5]

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости на частоте 1 МГц показана на рис. 8.14. Максимум 7000 при температуре

560 °С.

Рис. 8.14. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости на частоте 1 МГц. Максимум 7000 при температуре 560 °С [5]

179