东南大学制备最薄光盘：基于WITec光学的WS2数据存储和加密技术

信息安全

信息的安全存储在军事、经济以及日常生活中的应用日益重要。通过密码学将加密数据嵌入到信息媒介中，是一种简单有效的信息安全保护技术。基于信息媒介的数据存储与加密需要满足以下方面：

i）直接写入（写入速度快）；

ii）安全级别高；

iii）数据存储容量大；

iv）解密阅读可视化；

v）可擦除重写能力。

近年来，基于发光学的数据存储与加密技术受到了广泛的关注，而发光通常被认为是可视化解密读取的理想技术之一。

有鉴于此，东南大学物理学院倪振华教授、吕俊鹏教授以及机械学院陈云飞教授在原子尺度上展示了信息的直写式加密与存在以及可视化解密读取，以单层WS2晶体为媒介，实现了直写和可擦除的加密技术，制备了目前为止最薄的可擦除式“光盘”。相关成分以“The Thinnest Light Disk: Rewritable Data Storage and Encryption on WS2 Monolayers”为题，发表在知名期刊Advanced Functional Materials上。

内容导读

研究团队采用CVD生长的单层WS2作为信息介质，通过臭氧功能化和聚焦激光束诱导光致发光的精确控制来实现信息的写入，而信息的可视化解密读取是通过荧光对比度采集实现的。数据触发删除的阈值功率保证了光盘存储的高加密水平。

图1. 数据存储和加密：a)单层WS2的数据存储和加密原理图；相同的WS2单层数据存储和解密比较：数据存储过程PL映射图像。g-i)用不同激光功率解密的信息，一旦功率大于某一数值，数据将被删除。

研究团队利用WITec alpha300系列显微共聚焦拉曼光谱仪进行了高精度激光束诱导信息写入、高空间分辨共聚焦荧光成像让信息加密直写和解密读取过程可视化。如图1，对信息存储区域分别使用1.27， 10.2 和20.8 kW cm-1的功率密度进行荧光成像，仅在1.27kW cm-1功率密度下才能清晰展现写入信息。

图2. 信息擦除与重写说明：a)循环重写过程的示意图；b）激光书写（红色）和臭氧擦除（黑色）区域的光致发光成像，该书写和擦除的过程重复了三次。c(i)-(iv))同一WS2单层经过多轮写入和擦除后的光学及PL成像结果。比例尺=10µm。

通过臭氧处理可以对写入的数据进行擦除，实现单层介质WS2的重复使用。图2为同一区域可重复加密过程演示，不同字母在同一区域被写入、加密、读出、擦除。利用WITec alpha300系列显微拉曼成像光谱仪对擦除和重新写入的过程进行了可视化成像（图c(i)-(iv）），表明了基底及加密过程的可重复性。

图3. 光致发光特性的功率依赖性和数据存储能力；

由于荧光强度对写入时的激光功率敏感，为了研究单层WS2的数据存储能力，研究团队WITec alpha300系列共聚焦成像系统进行了发光特性功率依赖性研究。不同激光功率处理后，其PL光谱如图3d所示，相应的PL成像如图3e-g所示。在较低的激光功率处理下，出现了两个发光峰，分别记为峰A和峰B。A峰与中性激子峰一致，且随激光功率的增加而增大。峰B可能与臭氧处理后的缺陷束缚激子有关。随着激光功率的增加，缺陷束缚激子发光逐渐消失，中性激子和trion复合发光逐渐占主导地位。

图4. 理论分析臭氧处理对WS2单分子膜光致发光的影响；

为了理解臭氧处理单层WS2的信息加密直写的原理，研究者通过DFT计算结果来说明WS2单分子层的电子结构在臭氧和激光作用下的演化，结果如图4所示。理想的WS2单分子层呈现直接带隙(图4a)，而硫空位在禁带中引入缺陷态(图4c)。臭氧和紫外线处理后，使得样品产生了更多的硫空位，此时臭氧与WS2的强相互作用在禁带中诱导出未占据态，这些诱导态的非辐射复合降低了发光效率。另一方面，诱导态使得光激出的激子形成束缚态。

小结

研究团队通过臭氧处理单层WS2进行功能化，利用其特殊的光致发光特性，实现了信息的可擦除加密直写和解密读取，鉴于该加密信息存储光盘的高空间分辨率和功率敏感性，其在 <1 nm厚度内的空间内，存储密度可以达到≈62.5 MB cm-2，同时其写入速度可以达到≈6.25 MB s-1，成为具有数据存储和加密功能的最薄的光盘。这项研究的结果促进了数据存储在媒介空间尺度上的压缩，为推动数据存储介质进入原子量级提供了一个新的战略手段。