文章**自***先進製造”。
大資料時代，資訊量正在增加。 據國際權威機構IDC統計，全球資料量有望達到驚人的175ZB（1 ZB 11萬億GB），如何安全、高效、低成本地儲存這些資料，已成為亟待解決的問題。
目前，資料的儲存和歸檔主要依靠半導體快閃記憶體器件和硬碟驅動器，其缺點是能耗高、成本高、壽命短。 光資料儲存（ODS）技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長達50至100年的獨特優勢，非常適合海量資料的長期低成本儲存。 但是，由於光學衍射的限制，傳統商用光碟的最大容量只有100GB量級。 如何在有限的體積下有效提高儲存密度，增加單個磁碟的儲存容量，一直是光儲存領域的一大挑戰。 為了提高光儲存介質的儲存密度，研究人員主要採用了兩種方法：第一種是基於物理量的多維光儲存技術，如金屬奈米棒的表面等離子體特性和熔融石英中奈米光柵的雙折射現象，以多重物理量如強度， 用於多維資訊儲存的極化態、軌道角動量等物理量;第二種是基於多層的三維光儲存技術，該技術將多光子寫入光致變色材料、光折射聚合物或晶體等材料中。 但是，上述兩種方法都沒有突破光學衍射極限的限制，相鄰記錄點的通道間距大於衍射極限的大小，單個圓盤的等效容量僅在terb的量級。 在2021年《科學》雜誌發表的125個最前沿的科學問題中，光學衍射極限的侷限性位居物理學領域之首，也是《自然》雜誌2024年來年重點關注的七個技術領域之一。 為了突破衍射極限的極限，德國科學家Stefan WHell教授提出了受激發射耗竭（STED），並於2014年獲得了諾貝爾化學獎。 2013年，顧敏院士利用雙光束原理實現了9奈米雷射直寫技術。 然而，基於類STED機制實現超解像度光儲存是極具挑戰性的，因為儲存介質不僅需要有具有開關特性的開關抑制通道，還要實現超解像度的寫讀，可以三維儲存，材料必須具有穩定的效能，易於長期儲存。
近日，來自上海理工大學、中科院上海光學精密機械研究所等科研人員在超大容量3D奈米光子儲存領域取得了重大突破。 結果已於2月22日公布”。a 3d nanoscale optical disk memory with petabit capacity（Pb級儲存容量3D奈米光碟儲存器）發表在nature以上。 
上海理工大學光子晶元研究所所長，張江實驗室光學計算研究所所長顧敏院士， 中國科學院上海光學精密機械研究所研究員阮浩， 上海理工大學溫靜教授是本文的共同通訊作者; ， 中國科學院上海光學精密機械研究所博士後 趙淼上海理工大學溫靜教授他是共同第一作者。 ， 中國科學院上海光學精密機械研究所博士生 胡 喬北京大學魏勳斌教授和中國科學院化學研究所鐘玉武教授參與研究。
單張光碟的等效容量高達PB，比現有光碟高出10,000倍
研究人員開發了一種摻雜聚集誘導發光染料（具有聚集誘導發射的DIE摻雜光刻膠（AIE-DDPR））的有機樹脂薄膜。 它有幾個重要的屬性。 首先，超解像度奈米級光學寫入是基於三重態-三重態吸收機制的。 環形束與有機樹脂的相互作用利用三重-三重吸收效應有效抑制了有機樹脂的聚合作用。 其次，對於資料讀出，基於雷射激發的光刺激聚集誘導發射（OS-AIE）可以選擇性地增強寫入區域發出的螢光強度，並且還利用環形光抑制螢光增強現象。 最後，使用STED顯微鏡進行超解像度讀數。 如：圖1示意圖示出了3D奈米光碟的讀寫原理和製備過程，最終實現了點大小為54 nm、通道間距為70 nm的超解像度資料儲存，完成了100層的多層記錄，相當於相當於等效容量高達PB量級的單個磁碟， 這相當於至少 10,000 張藍光光碟或 100 張商用硬碟。值得一提的是，AIE-DDPR材料不僅具有40多年的使用壽命，而且相容傳統光碟量產的標準工藝流程，具有非常廣闊的應用前景。 
圖1：3D奈米光碟讀寫原理及製作製備工藝示意圖 來源：Nature 626， 772 778 （2024） 光碟的標準尺寸為直徑120公釐，基於這種**的材料和方法，每邊100層計算的等效容量和儲存表面密度都優於目前所有高效能儲存系統， 是最先進的光碟的數千倍，是市場上普通商用藍光光碟容量的10,000倍。
圖 2：AIE-DDPR 和現有高效能儲存系統的關鍵指標。
資料來源：Nature 626， 772 778 （2024）。
用於雷射可調諧聚集誘導發光染料（OS-AIE）的超解像度光學儲存技術。
此外，該研究首次報道了飛秒雷射控制下的聚集誘導發光現象（OS-AIE），並深化了一系列新的機理過程。 圖3揭示了AIE-DDPR材料從膠體（第一態）、紫外固化（第二態）和飛秒雷射束（第三態）的狀態變化。 AIE-DDPR材料只有在處於第二種狀態時才會發出微弱的螢光。 當515 nm處的固體飛秒雷射誘導從第二態向第三態的轉變時，薄膜進一步聚合，導致聚集誘導發光強度增強，第三態的發射光譜相對於第二態發生紅移。 然而，環形639 nm連續雷射器與材料具有三重態-三重態吸收效應，從而阻止了外圍區域的上述過程。 隨著雷射功率的增加，在490 550 nm波長範圍內，第三態的螢光發射增強更加強烈，記錄點的螢光對比度可達60：1。 
圖3：飛秒雷射誘導OS-AIE的作用機理 來源：Nature 626， 772 778 （2024） 研究人員認為，飛秒雷射不僅可以在改善材料聚集狀態的同時提高螢光生成強度，還可以實現發射光譜的運動，使資訊記錄點在檢測範圍內保持超解像度尺度的高螢光對比度，實現超解像度讀出。
總結
本文提出了一種用於雷射可調諧聚集誘導發光染料（OS-AIE）的超解像度光學儲存技術突破資訊儲存領域關鍵核心技術壁壘，將單盤等效容量提公升到PB量級，對我國突破資訊儲存領域關鍵核心技術壁壘，實現數字經濟可持續發展具有重要意義。 未來，OS-AIE原理在有機發光二極體的高解像度顯示、生物顯微鏡、光子晶元光源等領域可能具有相當大的應用潛力。 顧敏院士指出，下一步將是開發面向工業化的奈米級光子儲存技術，以滿足大資料時代的海量資料儲存需求，其成本、能耗和空間將遠低於目前的光碟庫和HDD資料櫃儲存技術。 界限---
跨尺度奈米級3D飛秒雷射直寫裝置
上海金雷光電統籌華中科技大學研發的系統，提供奈米級高精度無掩模光刻和奈米級3D微納結構列印，配合定製軟體系統，智慧型完成其他奈米級3D器件的高精度無掩模光刻和雷射直寫光刻的製造。