李金泓同学在高灵敏度全息存储材料研究中取得新进展
传统有机记录材料，如菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合物的光敏性不足，严重限制了全息数据存储的记录速度。在光反应过程中，加速光敏剂菲醌分子自由基的形成，以及增加基质中 C=C 双键浓度是提高光敏性的有效方法。李金泓等人通过引入助光引发剂三乙醇胺（TEA）及共聚单体丙烯酰胺（AA）制备了新型 TAPMP（TEA/AA/PQ/MBA-PMMA）材料，极大的提升了 PQ/PMMA 材料的全息特性。与原始 PQ/PMMA 材料相比，光敏性提高了 10 倍，衍射效率提高了 20%。此外，交联剂 N, N'- 亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的引入在材料具有高灵敏度的同时还减少了材料的光致皱缩。 |
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| 图1. （a）PQ 与 AA 在助光引发剂 TEA 的协助下光反应过程； （b）MBA 与 PMMA 的交联反应过程 |
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| 图2. TAPMP 和 PQ/PMMA 光致聚合物的衍射效率和感光灵敏度对比 |
实验发现助光引发剂 TEA 可以和光敏剂 PQ 组成新的光引发体系而不直接与单体发生反应，新引发体系可以极大增加激发态 PQ 生成自由基的速率，此时引入具有和 MMA 相似的乙烯基结构的共聚单体 AA，材料的感光灵敏度可以进一步增加。此外，具有高灵敏度的全息记录材料通常都有较大的光致皱缩，这对数据的存储是非常不利的，因此李金泓等人在材料中引入了交联剂 MBA，MBA 的引入可以和 PMMA 发生交联反应生成更稳定的三维立体网状结构，增大了材料的机械性能的同时降低了材料的光致皱缩（~50%），如图3所示。 |
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| 图3. TAPMP 和 PQ/PMMA 材料的布拉格角偏移量 |
经过同轴全息存储系统的数据存储验证发现，和 PQ/PMMA 材料相比，TAPMP 材料可以在超短时间内（~2s）完成较低误码率（BER）和较高信噪比（SNR）的二维数据页存储。结果如图4(a-d)所示。 |
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| 图4. TAPMP和PQ/PMMA材料在不同存储时间下的(a)误码率和(b)信噪比结果。 存储时间为2s时，使用(c)TAPMP和(d)PQ/PMMA的重建图像效果 |
综合以上研究结果，李金泓等人首次提出了通过引入助光引发剂 TEA，共聚单体 AA 实现了对 PQ/PMMA 光致聚合物感光灵敏度和衍射效率的显著提升，同时交联剂 MBA 的引入大大降低了材料的光致收缩，实现了快速高保真的全息数据存储，并首次构建了 TAPMP 光致聚合物热聚合和光反应的微观机理，结果图5所示。 |
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| 图5. TAPMP材料光反应过程的微观机理图 |
相关的研究成果以“Highly sensitive photopolymer for holographic data storage”为题发表在美国光学学会 (The Optical Society of American, OPTICA) 期刊杂志 Optics Express, Vol.30, No.22, 40599-40610 (2022)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.471636 |
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(2022.10.18)
