光存儲技術基于空間選擇性光響應原理,利用光誘導材料發生物理或化學狀態變化實現二進制數據(0/1)的編碼存儲。研究人員已系統探索了光還原、光失活、光折射及光致變色等多種光響應機制。其中,基于電子俘獲原理的光致變色材料,在特定波長光照下能夠發生可逆的顏色變化。這種顏色與光波長的精準對應關系可直接轉換為二進制編碼信號,使其成為高密度光存儲介質的優勢候選體系。近年來,隨著智能光學器件和高密度信息存儲需求的增長,無機光致變色材料因其廣闊的應用前景受到廣泛關注,相關研究已取得顯著進展。然而,該類材料仍面臨光響應速度遲緩、變色對比度不足、色階調控單一、光譜響應范圍窄及作用機制不明確等瓶頸問題,嚴重制約其實際應用。特別是在大容量光存儲領域,材料需同時滿足超快光響應、高對比度信息寫入和多維信息讀取等嚴苛要求,傳統光致變色材料體系已難以適應技術發展需求。
圖.?具有獨特孿晶鈣鈦礦結構的Ba8Ti3Nb4O24: Pr3+光致變色材料
近日,在國家基金委海峽基金重點項目、國家基金面上項目以及福建省杰青項目等支持下,中國科學院福建物構所林航研究員和王元生研究員帶領的團隊聚焦于該類材料,基于高溫固相法成功制備了一種新型快速光致變色鈮酸鹽陶瓷Ba8Ti3Nb4O24: Pr3+(BTN:Pr3+),進而基于紅外輻射低溫快速燒結技術,制成玻璃陶瓷。BTN:Pr3+的晶體結構由一種特殊的立方-六方混合堆積模式組成,內部形成孿晶面,又被稱為 “孿晶鈣鈦礦”,展現的光致變色響應時間低至20 ms,響應速度遠快于現行秒級響應無機光致變色材料。結合實驗研究和計算,我們推測其快速光致變色響應的特性與材料內部單一類型的色心有關,即載流子無需經歷常見多色心情況下的重新分布;而緊密堆積的晶體結構與孿晶面則為載流子提供了快速傳輸通道?;谏鲜龉庵伦兩匦?,我們在BTN:Pr3+陶瓷中成功實現了信息實時寫入-顯示的可重復擦寫操作,并通過演示性實驗展示了高速逐位信息光存儲與雙模式讀取功能。
該成果以“Twin-Perovskite Structured Ba8Ti3Nb4O24: Pr3+:A Fast Photochromics with Millisecond-Level Response Speed for Optical Storage”為題,發表于《ACS Energy Letters》(ACS Energy Lett. 2025,10,484?495。論文第一作者是福州大學聯培生董高明,通訊作者是林航和王元生。
此前,該團隊在電子俘獲型玻璃陶瓷研究方面取得了一系列重要進展,相關成果相繼發表在Laser & Photon. Rev.,2019,13,1900006、 Light: Sci. & Appl.,2020,9,22,ESI TOP 1%、 Laser & Photon. Rev.,2023,17,2200734,ESI TOP 1%、Laser & Photon. Rev.,2024,18,2300744等,受到了國內外同行的廣泛關注。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c03011