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本发明提供了一种介质存储装置。该装置包括不同结构的发光层(830、920、1020)，包括能够在束发射器发射的射束轰击时发光的发光材料；检测器(810、930、1010)，用于检测由发光层(830、920、1020)发射的光；和相变层(820、910、1030)，位于邻近发光层(830、920、1020)。相变层(820、910、1030)能够从第一相转变为第二相。当相变层(820、910、1030)由第一相转变为第二相时，由发光层(830、920、1020)发射的并被检测器(810、930、1010)接收的光实质上不同。

1、  一种使用配置用于发射束的束发射器的数据存储装置，包括：
发光层，包括能够在受到来自束发射器的射束轰击时发射光的发光材料；
检测器，位于发光层附近，用于检测由发光层发射的光；和
相变层，位于发光层与检测器之间，所述相变层能够从第一相转变为第二相；
其中，当相变层从第一相转变为所述第二相时，从所述发光层发射的并由所述检测器检测到的光实质上不同。

2、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述相变层的第一相使得从发光层穿过相变层到达检测器比相变层的第二相传输实质上更多的光。

3、  根据权利要求2所述的装置，其中，所述相变层的第一相代表所述相变层的未写入区域，所述相变层的第二相代表所述相变层的写入区域。

4、  根据权利要求2所述的装置，其中，所述相变层的第一相代表所述相变层的写入区域，所述相变层的第二相代表所述相变层的未写入区域。

5、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述射束包括低功率密度光子束，该光子束缺乏足够的功率以使相变层由第一相转变为第二相。

6、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述射束包括低功率密度的电子束，该电子束缺乏足够的功率以使相变层由第一相转变为第二相。

7、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述发光层和所述相变层相邻接，并共有界面。

8、  根据权利要求7所述的装置，其中，所述界面具有辐射复合率和非辐射复合率，其每个根据相变层的相邻区域是处于第一相还是处于第二相。

9、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述发光层包括YAG基材料、稀土元素掺杂剂、YAP基材料、GaN、氧化锌、硫化锌和Si₃O₄中的至少一种。

10、  根据权利要求1所述的装置，其中所述发光层包括光学中性介质和光学中性介质中的光学活性纳米粒子。

基于相变调制发光的存储装置
技术领域
本发明通常涉及高密度数据介质的热写入领域，更具体地说，本发明涉及形成高密度数据记录产品的特定组成和方法。
背景技术
相变介质是用于实现高密度数据存储的广泛使用手段，这种介质可以包括CD-RW、DVD-RAM和DVD-RW格式及其它。在这种类型的介质上，数据存储在特定位置上，典型尺寸为微米大小，存储和擦除基于目标区域的微结构而发生。图1示出了披露于Gibson等人的美国专利No.5557596(596专利)中的超高密度数据存储装置。超高密度数据存储装置包括一组场发射器100、位于场发射器100之下的数据存储层110、将数据存储层110保持在场发射器100之下并将数据存储层110相对场发射器100定位于理想位置的微型移动器(micromover)120、以及将能量提供给场发射器100的电连接器130。当提供能量时，场发射器100可以以电子束轰击数据存储层110，并可以将数据存储层的纳米级部分由未写入数据位(由图1中的附图标记140表示)转换为写入数据位(由附图标记150表示)。这种转变通过下述写入过程发生。
在将数据写入到数据存储层110时，各个场发射器100经过电连接器130被赋能，并以电子束轰击选定的未写入数据位140。在写入过程中，电子束具有足够的功率密度，以将被轰击的未写入数据位140从第一材料状态(如，晶体态，其可以被赋值以“0”值)转变为第二材料状态(如，非晶态，其可以被赋值以“1”值)。由此，值为“1”的数据位分别通过轰击晶体，即未写入数据位140，并适当冷却(淬火)数据位140从而形成非晶态，即写入数据位150，而被写入和存储到数据存储层110上。
在从数据存储层110擦除数据时，各个场发射器100经过电连接器130被赋能，并以电子束轰击选定的写入数据位150。在擦除过程中，电子束具有足够的功率密度，以将被轰击的写入数据位150从第二材料状态(如，非晶态，其可以被赋值以“1”值)转换为第一材料状态(如，晶体态，其可以被赋值以“0”值)。由此，通过轰击非晶，即写入数据位150，由此适当加热(退火)数据位150从而形成晶体，即擦除数据位140，可以将值为“0”的数据位存储在数据存储层110上。
当从存储层110读出数据时，场发射器100再次以电子束轰击数据位140、150。然而，不是以能量足以使数据位140、150在上述第一和第二材料状态之间进行转换的电子束来轰击数据位140、150，而是，场发射器100以相对的低功率密度的电子束轰击数据位140、150，该低功率密度的电子束不会引起转变，但是能够实现识别。之后，监控低功率密度电子束与数据位140、150之间的相互作用，以读取数据。
在读取操作过程中，低功率密度射束与未写入数据位140和写入数据位150之间的相互作用各不相同。例如，当轰击晶体，即未写入数据位140时，低功率密度射束能产生的二次电子少于轰击非晶态，即写入数据位150时所产生的二次电子。因此。通过监控相对低功率密度射束与束所轰击的数据位140、150之间的相互作用(如，通过监控所产生的二次电子的数量)，能够确定被轰击的数据位140、150所存储的是“1”值还是“0”值，从而读出存储在数据存储层110上的数据。
上述设计的特定实现方式是采用在相变材料之上的发光材料，该相变材料依次位于光电检测器之上。处于写入结构和未写入结构之中的相变层的各种状态对发光材料发出的光具有不同的吸收和/或反射系数。可以使用低功率密度电子束或光束来激励发光层发光，从而读回数据。根据被激励的发光层区域之下的相变层的状态，或多或少的光穿过相变层达到光电检测器。被寻址的区域内相变层的状态，或多或少的吸收和/或或多或少的反射，都可以通过监控达到光电检测器的光而估计。
这种光监控方式所产生的问题在于发光层必须制造于相变层之上，这里，“之上”指将层置于进一步远离基底层，或将层置于介质的基底层之外。将发光层置于相变层之上需要不利于相变层的处理温度和条件。此外，在写入过程中，发光层必须在特定情况下经受住高于影响相变层中的相变所需的温度变化。在某些情况下，发光层还必须经受住高能电子的轰击。由高能电子引起的高温和/或轰击对发光层的发光特性产生负面影响。
这种方案的另一个潜在缺陷是光电检测器位于相变层之下，这使制造更加困难。如果试图透射的写入位之下的相变层的未写入部分中吸收或反射了过多的光，或相变层的底表面上内部地反射了过多的光，则会引起另一个问题。并且，在特定设计中，大量的光在穿过发光层的顶表面的过程中损失，而不是向下反射到相变层上，在相变层中其可以被添加到信号中。在其它的特定设计中，需要在发光层上设置保护顶层，以避免在读取和写入过程中发生不希望的变化和退化。
因此，希望提供一种相变层与发光材料相结合的介质，以及一种能够以相对有效的方式对所述介质进行热写入和擦除，并可以避免上述设计中的相关问题的检测器。
发明内容
根据本设计的第一方面，提供了一种使用配置为发射束的束发射器的数据存储装置。该装置包括：发光层，包括在束发射器发射的射束轰击时能够发光地发光材料；检测器，位于发光层附近，用于检测发光层发射的光；和相变层，位于发光层与检测器之间。相变层能够从第一相转变为第二相。当相变层由第一相转变为第二相时，由发光层发射并被检测器检测的光实质上不同。
根据本设计的第二方面，提供了一种使用发射束的束发射器的数据存储装置。该装置包括：发光层，包括在受到束发射器发射的束轰击时能够发光的发光材料；相变层，位于发光层与束发射器之间，相变层能够从第一相转变为第二相；和检测器，位于发光层附近，用于检测发光层发射的光。当相变层由第一相转变为第二相时，由发光层发射并被检测器检测的光实质上不同。
根据本设计的第三方面，提供了一种使用发射束的束发射器的数据存储装置。该装置包括：发光层，包括在受到束发射器发射束轰击时能够发光的发光材料；检测器，位于发光层和束发射器附近，用于检测发光层发射的光；和相变层，位于发光层附近，使发光层位于检测器与相变层之间。相变层能够从第一相转变为第二相。当相变层由第一相转变为第二相时，由发光层发射并被检测器检测的光实质上不同。
根据本设计的第四方面，提供了一种用于在数据存储装置上存储数据的方法，该数据存储装置包括相变层和发光层。该方法包括：以射束轰击发光层，使发光层发光，使用检测器检测由发光层发射的光，和通过使相变层从第一相转变为第二相写入数据。当相变层由第一相转变为第二相时，由发光层发射并被检测器检测的光实质上不同。
本发明的这些和其它目的以及所有方面的优点在阅读下文中参照附图的对优选实施例的详细描述之后对本领域技术人员来说将更加明显。
附图说明
下面通过附图的图形中的非限定性的实施例对本发明进行详细描述，其中：
图1示出了根据现有技术的数据存储装置的的侧视图；
图2是具有发光层和相变层的数据存储装置的横截面图；
图3是图2所示的数据存储装置的横截面图，其中，光学不透明的第二相域位于发光层中产生光的位置与检测器之间；
图4是具有发光层和相变层的数据存储装置的横截面图，其中，相变层包括光学透明的第一相域和反光的第二相域；
图5是数据存储装置的横截面图，读数据存储装置包括系数匹配层、相变层和包含光学活性纳米粒子的光学中性介质；
图6是相变层中一种材料的吸收光谱和同一种材料的平移的发射光谱；
图7是用于向根据基本分层设计的数据存储装置存储数据和从其中检索数据的方法的流程图；
图8是发光材料之上具有相变材料的数据存储装置的第一可替换实施方式的横截面图，其中，光电检测器或检测器位于相变材料上方；
图9是相变材料靠近射束发射器并位于发光材料之上的数据存储装置的第二可替换实施方式的横截面图，其中，光电检测器或检测器位于发光材料下方；
图10是相变层上具有发光层的数据存储装置的第三可替换实施方式的横截面图，其中，光电检测器或检测器位于发光层的上方；
图11是用于向根据图8的第一可替换实施方式的数据存储装置存储数据和从其中检索数据的方法的流程图；
图12是用于向根据图9的第二可替换实施方式的数据存储装置存储数据和从其中检索数据的方法的流程图；
图13是用于向根据图10的第三可替换实施方式的数据存储装置存储数据和从其中检索数据的方法的流程图。
具体实施方式
图2示出了超高密度数据存储装置的横截面图。该装置包括束源200，该束源可以是能够发射高功率密度或低功率密度的光束或电子束e^-的装置。图2示出了由束源200发射的电子束e^-。正如这里所用，术语“束源”可适用于能够发射光学束，如光束或电子束的装置，除非特别指明，实施例所描述的以及附图中所包括的并不用于限定可以由束源发射的射束的种类。图2中所示出的电子束e^-可以聚焦为小于亚微米级的束斑尺寸。
正如本领域中公知的，束源200能够发射可聚焦为纳米级束斑尺寸的电子束。束源200可以是场发射器、Schottky发射器或其它能够以电子束形式发射能量的装置，或是发光二极管(LED)或激光器、或其它能够以光束形式发射能量的装置。在任何一种情况下，束源200都可以提供具有希望的束斑尺寸的高功率密度或低功率密度的射束。
如图2所示，靠近束源200并位于其下的是发光层210。发光层210包括在通过束源200发射电子束或光束进行轰击时能够发光的发光材料。发光层210可以包括钇铝石榴石(YAG)基或钇铝钙钛(YAP)基的材料。发光层210还可以包括稀土元素掺杂剂和/或氧化锌、GaN、硫化锌和Si₃O₄中的至少一种。
再次参考图2，由发光层210发射的光的一部分由虚线表示，并由附图标记hυ指示。虽然光通常向所有方向发射，但是为了清楚起见，附图中仅示出了光从发光层210向下传播的部分。
与发光层210相邻的是相变层230。如下所述，相变层230能够被局部地从第一相转变为第二相，在某些实施例中，也可以紧邻发光层210，共用界面。在某些实施例中，也可以在该界面上设置抗反射涂层。检测器220可以定位为使检测器220位于相变层230附近(如几微米范围内)。根据另一实施方式，检测器220甚至可以与相变层230接触。例如，相变层230、光学抗反射涂层(图2中未示出)以及发光层210可以沉积在检测器220之上，检测器220可以是，但不局限于，光电二极管或光电晶体管。正如这里所使用的，术语“检测器”可以是根据这里的功能性描述能够接收能量的任意一种检测装置，其可以包括光电检测器，其中，光电检测器是一种检测光子的装置，可以包括，但是并不局限于，光电二极管、光电晶体管和类似装置。
特别是当装置中包括并行读取通道时，超高密度数据存储装置中采用多检测器220。当采用多检测器220时，为了使相邻数据位与检测器220之间的串扰最小，可以将检测器220定位得与彼此之间相比，更加接近相变层230。
检测器220或上述检测器220典型地能够感测由发光层210发射的光hυ。然而，为了以检测器220进行检测，光hυ必须能够传输到检测器220用于检测的位置。在某些数据存储装置中，通常选择这样的检测器220：检测器220有选择地检测一定波长范围内的光，该波长范围并不正好与发光层210发射的光的波长范围相匹配。这种检测器220将在下文中参考图6进行介绍。
束源200可以引起相变层230中第一相和第二相之间的转变。如果束源200以适当脉冲形状发射足够的高功率密度光束或电子束，则可以引起这种转变。电子束或光束还可以入射到(即轰击)要被写入/相变的相变层230的区域上或与相变层230的区域相邻的发光层210的区域上。
正如本领域技术人员所熟知的那样，以足够的高功率密度对相变层230反复轰击或对与相变层230相邻的发光层210的区域反复轰击，连同适当的冷却条件，可以引起相变层230的第一相域250中出现多个第二相域240，如图3所示和参照附图3的详细介绍所述。
根据图2所示的数据存储装置，一旦光在发光层210中被激发，被激发的光的至少一部分可以相对自由地穿过相变层230的第一相域250。这是确实存在的情况，因为图2中所示的第一相域250通常是光学透明的或光透射的。开始于非透射性膜和写透射位也是可能的。如图3所示，在使用光学透明或透射性的第一相域250的情况下，如果光试图穿过第二相域240，则光至少被第二相域240部分吸收(在某些实施方式下，一些光也被或被反射)。因此，如果第二相域240位于发光层210中光被激发的位置与检测器220之间，如图3所示，则光的大部分或全部都将不能抵达检测器220，也将不能被检测出来。
发光层210和相变层230一起构成图2-3所示的装置的数据存储介质，第一相域250和第二相域240构成各数据位。如果希望，则第一相域250可以被赋值以如“0”的值，第二相域240可以被赋值以如“1”的值。当从存储介质上读取数据时，可以以从束源200发出的降低了功率密度的电子束激励发光层210的局部区域发光，这不会在相变层的临近区域内引起写入或擦除。降低的或相对低的低功率密度电子束传播进入发光层210，激励发光。
检测器220可以用于监控接收的发光量。当没有第二相域240出现在已经激励发光的位置与检测器220阻挡发射的位置之间时，检测器220可以检测相对大量的光。然而，如果第二相域240出现在发光位置与检测器基本阻挡发射的位置之间时，检测器220可以检测相对少量的光。因此，通过以功率基本恒定的降低的功率密度束持续轰击存储介质、并产生束源200与存储介质之间的相对运动，可以在检测器220检测到相对少量的光时从存储介质中检测或读取出“1”数据位，在检测到相对大量的光时从存储介质检测或读取出“0”数据位。这可以从图2-3所示的超高密度数据存储装置中检索出数据。
将数据写入超高密度数据存储装置，如图2所示的存储装置，包括将相变层230的一个或多个部分从透明的第一相转变为不透明的第二相，反之亦然，以在相变层230中形成各第一相域250和第二相域240。如上所述，可以通过以电子束轰击相变层230的选定区域，然后适当冷却轰击区域来实现相转变。例如，如果以足够能量密度的电子束轰击从而熔化材料、随后足够快地冷却来淬火材料，则材料的光学透射性结晶第一相将变为不透明的非晶第二相。同样，如果以足够能量密度的电子束轰击而将非晶材料加热到其晶化温度之上、从而退火非晶材料，则光学不透明的非晶第一相将变为光学透射性的结晶第二相。
作为一个可选实施例，射束可以轰击相变层230中的光学不透明化合物，形成上述第二相域240，通过挥发、氧化等过程将不透明化合物转变为透明化合物。之后，不透明化合物可以是第一材料状态，透明化合物可以是第二材料状态。
对存储介质进行写入的另一种实施方式包括先以电子束局部加热发光层210。然后，当发光层210中的热量消散并从发光层210传导到相变层230时，热量可以将相变层230的一部分由第一相局部转变为第二相。这种写入过程在发光层210具有高于相变层230的熔化温度时最有效。这是正确的，因为在对相变层230的写入过程中通常优选避免发光层210的熔化。发光层210可以选择为包括在对相变层230写入的过程中其发光特性不会受到发光层210内所获得的温度而损害的材料。
根据包括局部加热发光层210以转变相变层230的写入过程，发光层210可以选择为包括具有高热导率(如高于相变层230中所包括的材料的热导率)的材料。当具有高热导率的材料包括在发光层210中时，跨越发光层210的温度梯度可以被最小化，从而减少了发生由于局部加热而使发光层210的任意部分的温度变得足够热以引起损伤的机会。
另一方面，发光层210可以选择为包括具有低热导率(如低于包括在相变层230中的材料的热导率)的材料。当具有低热导率的材料包括在薄发光层210中时，可以向相变层230写入较小数据位，因为转变相变层230的热可以更加高度地局部化。这种较小数据位允许在存储介质上存储更高密度数据。另外，发光和相变层具有较低热导率可以降低影响相变所需的功率，从而可以允许使用较低功率的束源200或发射器，降低了装置的总功率需求，等等。
一旦写入，存储介质可以存储可由上述读取方法读取的数据。这可以实现以亚微米级的，在某些情况下是纳米级的数据位进行非易失性数据存储。
应当理解，在某些实施例中，相变层230的第二相部分240可以靠近(或总是向上)发光层210与相变层230之间的界面延伸。在这种实施方式中，靠近界面的发光层的局部辐射和无辐射复合率取决于相变层230的相邻区域是处于第一相还是处于第二相。因此，在这些实施例中，当以低功率密度电子束轰击发光层210时，可以根据是第一相域250还是第二相域240位于界面附近而产生不同量的光。这提供了另一种对比机制，由此可以在束源200和存储介质彼此相对移动时，通过测量到达检测器220的相对光量来读出数据位。
现在参考图4，其示出了具有发光层210和相变层230的另一种超高密度数据存储装置的横截面图。图4中的装置具有包括光学透明的第一相域250和若干个反射的第二相域240的相变层230。第一相域250传输试图穿过第一相域250的大部分光。而第二相域240反射试图穿过第二相域240的大部分光。(在超高密度数据存储装置的某些实施例中，第二相域240可以还吸收试图穿过第二相域240的大部分光，这是例如图3中的第二相域240可以为不透明的一种方式)。因此，当从图4所示的装置中读取数据时，束源200和存储介质可以相对彼此移动，同时束源200发射基本上功率恒定的降低的功率密度电子束。然后，检测器220可以用于监控到达检测器220的光量。光检测的低电平可以导致检测或读出“1”数据位，而光检测的高电平可以导致检测或读出“0”数据位，或者反之亦然。
与图2-3中所示的数据存储装置类似，第二相域240可以通过采用电子束和适当的冷却条件写入到相变层230中。在某些数据存储装置中，如图2-5所示的装置，用于使区域在第一和第二相之间进行转变的适当的冷却条件只需要在环境温度下足够快速地关闭电子束。因此，额外的冷却元件是不必要的。
现在参考图5，其出了超高密度数据存储装置的横截面图，其中，发光层210包括光学中性介质260和包含在光学中性介质260内的光学活性纳米粒子270(即，纳米级粒子)。图5所示的装置还包括位于束源200附近的光学反射涂层275，将发光层210的光反射向检测器220。可选的第一系数匹配层280(为抗反射)位于上述发光层210与相变层230之间。可选择地，存储介质可以包括第二系数匹配层285(为抗反射层)，其位于相变层230与检测器220之间。
在各种材料中，纳米粒子270可以包括II-VI和III-V半导体化合物。在各种材料中，发光层210可以包括ZnO、GaN、YAG、YAP和ZnS。相变层230可以包括如与光学记录中所采用的类似的硫族化物基相变材料。例如，第一相域250可以是这些材料其中一种的结晶态，第二相域240可以是非晶态。然后，可以根据发光层210的发光波长范围以及检测器220所敏感的波长范围选择精确的相变材料。此外，可以对相变层230、发光层210和检测器220的组合进行选择，以最优化信噪比。相变层220的选择也可以基于熔点需要多低才能不损伤其它层、相变层220对相邻层的反应性等因素。
反射涂层275可以选择为非常薄(如小于一微米厚度)，并且最好是耐热性的，从而避免损伤与发光层210交界的反射涂层275的反射特性。也可以将第一系数匹配层280和第二系数匹配层285和/或反射层选择为非常薄而且具有耐热性。
将发光层210、反射涂层275和第一系数匹配层280制薄的原因在于是为了使其间的温度变化最小化。如果这些层210、275、280很厚，则最接近发射器的表面将比影响相变层230中的相变所需的温度更高。将层210、275、280制薄的另一原因在于，如果层210、275、280很厚，则由于较厚层使热量在抵达相变层230之前横向传播，因此难于在相变层230中写入小数据位。
当以降低的功率密度电子束进行轰击时，该数据存储装置中的纳米粒子270发光。一部分发射的光向用于检测的检测器220传播，或基本(如超过80％)被吸收，基本被检测器220反射离开，或二者皆有，这是根据出现在相变层230中的第二相域240的种类。因此，上述参考图2-4所述的读取和写入步骤也同样适用于图5所示的装置。
图5所示的系数匹配层280趋向于将从发光层210传播出来的光量最大化。由于折射系数类似的相邻材料在其界面上反射较少的光，因此，图5所示的装置可以允许向检测器220传播的光多于不具有系数匹配层280的装置的光。因而，只需要在发光层210中产生更少量的光，以用于检测器220的检测。
现在参考附图的图6，其示出了包括在上述其中一个相变层230中的一种材料的吸收光谱600的曲线图，以及相同材料的平移发射光谱610的曲线图。特定的超高密度数据存储装置包括吸收性的第二相域240，其吸收试图穿过第二相域240的第一波长范围内的大部分光(例如，由发光层210发射的光的波长范围)。之后，第二相域240再次发射在第二波长范围内所吸收的光的至少一部分(例如，检测器220所敏感的波长范围)。
当再次发射的第二相域240用于数据存储装置中时，如图2-3和5中所示的装置，通常可用附加的读取方法。例如，可以提供检测器220，其检测再次发射波长范围610的选定子区中的光。之后，从发光层210中吸收波长范围600内激励发光。如图6所示，吸收波长范围600可以与再次发射波长范围610轻微重叠，或者根本不与再次发射波长范围610重叠。然后，如果由发光层210发射的光的至少一部分被相变层230的第二相域240吸收(即，如果存在发光层210中的发光位置与检测器之间的第二相域240)，则吸收光发射可以被再次发射波长范围610内由第二相域240至少部分地再次发射。
由此，被选择用于检测择优地位于或仅位于再次发射波长范围610内的波长子集、内而不位于发射波长范围600内的光的检测器220可以用于检测第二相域240。通过检测第二相域240的存在与否，可以从存储介质中读出“0”和“1”数据位。由于相变层230可以选择为包括了和依赖光吸收和/或反射的变化的装置相比，可以在检测器220所敏感的波长范围内提供更高对比度和/或更好信噪比的材料，因此这种检测更加灵敏和/或低噪声。
在一些实施例中，相变层230中的材料仅在检测器220监控的波长范围内对到达检测器220的光提供大型调制。在这些实施方式下，来自其它波长下的未调制光的相对恒定背景的噪声被仅监控调制光的检测器220消除。使用仅检测选定波长范围的检测器220的另一优点在于检测器220可以更简单和/或更廉价地结合到装置的制造过程中。
为了有效地再次发光，一种可行的方式是将在理想波长下可以引起辐射缺陷的材料掺杂到相变层230中。可选择地，一些直接带隙相变层230可以在没有缺陷的情况下在晶态下有效地再次辐射。这些可能方式中的任一种都可以用于根据本发明所述的装置和方法中。
图7示出了用于向超高密度数据存储装置存储数据和从其检索数据的方法的流程图。步骤700规定提供具有能够发射射束的束源200的装置、位于束源200附近的发光层210，其中，发光层210包括能够在被射束轰击时发射光束的发光材料。步骤710还规定提供检测器220，位于发光层210附近，用于感测光和位于发光层210与检测器230之间的相变层230，其中，相变层230可以由束源200局部地从第一相转变为第二相。之后，步骤720规定通过借助光束将相变层230的一部分从第一相转变为第二相来写入数据。最后，步骤730规定通过以光束激励发光层210发光、并监控到达检测器220的从发光层210发出的光来读取数据。正如这里所采用的，图7中的实施方式具有与束源相邻并且位于相变材料顶上的发光材料，其依次位于在检测器上，这种实施方式被称为“基本分层设计”。
另一种分层
发光层、相变层和检测器的另一种布置或重排序方式在图8中示出，这里被称为“第一可选实施方式”。从图8中可知，检测器810位于相变层820之上，该相变层沉积在发光层830上。相变层820适当对光透明，该光可以为读出束或写入束，以使射束的一小部分到达发光层830。当读取束如图8-10所示时，应当理解，读取束或写入束可以提供于图中所示射束描述的取向上。从图8中可知，当读取束激励相变层820之下处于对发光层830发射的光的光谱部分相对透明的状态中的一部分发光层830时，由虚线表示的感应发光的相对大的部分到达检测器810。另一方面，如果射束入射在处于相变层820的相对不透明的相变区域(如写入的位840)之下的发光层830的区域上，则更少的光到达检测器810。由此，系统可以区分相变层820中的写入位和未写入区域。
如果采用光学读取束，则由相变层的局部相变影响的光束波长范围内的相变层的透射率差异将改变到达发光层830的光量，从而改变产生的光量。穿过相变层820的读取束的传输与到达检测器810的所产生的发光光束部分的调制组合也可以被采用。
根据光穿过写入还是未写入区域，图8的存储机制利用了相变材料对发光的吸收。再者，系统采用电子或光学束来局部影响相变层中的状态变化来写入数据。这种状态改变可以通过以适当时间-温度曲线加热相变层830和/或采用电子或光子轰击来重新排列键和/或原子位置发生的。状态变化可以是非晶与结晶相之间的变化，或多个光学特性相同的结晶相之间的变化。系统使用低功率密度电子或光学束局部激励发光层830发光，并读取数据。根据激励区域上方的相变层820的状态，或多或少的光达到检测器810，产生信号。由发光层发射的波长下的相变材料的吸收系数和/或反射率的变化可以移动达到检测器810的光量。在该实施例中，相变和发光层可以沉积在比检测器位于存储介质之下的那些实施例中所采用的更广泛的衬底材料上。这种布置使得可以更加自由地选择衬底，在该衬底上将生长出具有更好相变特性的层，其热和光学以及发光特性也更好。此外，这使得衬底层的选择能够将朝向衬底、并在所示取向中向下指向的发光光束反射回相变层820，并返回到检测器810，其中，反射的发光光束可以添加到由发光层830初始发射并穿过相变层820的光束得到的信号中。由此，在写入过程中，写入束在达到发光层之前撞击相变层。这便于影响相变层中的相变，而不会相反地影响发光层，从而可以减少相对于相变层位于发光层之下的实施例的写入所需的功率。
在设计的特定构造中，相变层可以制造的足够薄，以使大部分电子读取束可以穿过相变层820，并到达发光层830。在这种构造下所允许的相变层的厚度趋于增加更高能电子束，以及更低的质量密度和/或更低的原子序数相变层。
图11示出了用于向根据图8所示的第一替换实施例的超高密度数据存储装置存储数据和从其检索数据的方法的流程图。步骤1100规定提供具有能够发射射束的束源200的装置。步骤1110要求在束源200的附近提供检测器810，来感测光能。步骤1120规定提供发光层830和在检测器810与发光层830之间提供相变层820，其中，发光层830包括能够在射束轰击时发射光的发光材料，相变层820可以通过束源被局部地由第一相转变为第二相。然后，步骤1130规定通过借助光束将相变层820的一部分从第一相转变为第二相从而写入数据。最后，步骤1140规定通过借助光束激励发光层830发光、并监控由发光层830发出的到达检测器810的光来读取数据。
本发明的另一实施方式如图9所示，这里称为“第二可替换的实施方式”，其中，相变层910与发光层920相邻，由发光层920发出的能量达到检测器930。由此，相变材料位于发光材料顶上，检测器位于发光材料下方。在该实施例中，根据系统寻址写入还是未写入区域，存储机制利用由相变材料引起的发光的反射中的变化。如上所述，可以采用电子或光束局部激励发光层辐射来读取位。由于写入过程引起的相变层反射率的变化可以改变反射回检测器930并产生信号的光量。
在图9所示的设置中，如图所示，从上方入射穿过未写入区域中的读取束，使得只有少量发射光被反射到检测器930上。在写入位940存在的情况下，入射穿过写入区域中的读取束使得一些在所示的向上方向中发射的光从写入位940反射，并反射回检测器930。产生的信号差可以在读出过程中用于区分写入位与未写入位。可选择的，写入区域可以制造为其反射率低于未写入区域，只要读取束的反射提供足够的能量差以便通过检测器930可以进行区别，然后处理电子。
当检测器930位于存储介质之下时，其中，存储介质包括相变层和发光层，检测器930可以更容易地制造为相对发光的区域对向更大的立体角，从而提供了获得更大信号的可能性。将检测器930放置在存储介质上，而不妨碍读取和写入束或产生它们的设备可以被复杂化。例如，紧邻存储介质工作(为了便于聚焦)的电子发射器可以对向存储介质之上的大部分立体角，排除了在该位置中检测器930的放置。
另外，图9所示的设置可以要求比相变层910位于发光层920下的设置更小的功率来执行写入任务。并且，如果相变层910位于发光层920之上，则发光层920将不太会在写入过程中受到损伤。
如果采用光学束，由相变层的局部相变影响的光学束波长范围内的相变层透射率差别可以改变到达发光层920的光量，从而改变产生的光量。也可以采用穿过相变层910的读取束的传输与产生的发光到达检测器930的部分两者的调制组合。
图12示出了用于对根据图9所示的第二可替换实施方式的超高密度数据存储装置存储数据和从其检索数据的方法的流程图。步骤1200规定提供具有能够发射射束的来源200的装置。步骤1210要求在束源200的附近提供相变层910，其中，相变层920可以通过束源200局部地从第一相转变为第二相。步骤1220规定提供靠近相变层910并且远离束源200的发光层920，其中，发光层920包括能够在被射束轰击时发射光的发光材料。步骤1230提供用于感测光能量的检测器930的定位，其位于发光层920的附近，并且也离开束源200。然后，步骤1240规定通过借助光束将相变层910的一部分从第一相转变为第二相而写入数据。最后，步骤1250规定通过借助光束激励发光层920发光、并监控由发光层920发出的到达检测器930的光来读取数据。
本设计的另一可替换实施例如图10所示，这里称为“第三可替换的实施方式”。从图10中可知，检测器1010位于发光层1020上方，其依次位于相变层1030之上。写入位1040在该实施例中位于发光层1020之下。如图所示，入射到未写入区域的读取束提供相对少量的光束返回到检测器1010。在这种构造中，入射到写入位之上的读取束提供更多的从相变写入位1040反射回检测器1010的光。可选择的，可以将写入区域制造为反射率小于未写入区域，只要读取射束的反射提供足够的能量差来使检测器1010可以进行识别并随后处理电子。在该实施例中，应当注意，反射层可以位于相变层1030之下。这种实现方式可以实现具有状态变化的相变层1030的吸收的有利改变。由发光层1020发射的一些光可以穿过或不穿过相变层1030，被反射层反射，之后穿过回或不穿过回相变层1030，随后穿过发光层1020到达检测器1010。
在图10的实施例中，通过用射束以适当时间-温度曲线局部加热相变材料并改变其状态，而写入数据。在大多数情况下，发光层1020也变得相对较热，特别在射束的能量的大部分被发光层1020吸收的情况下。如果采用光子束，则在写入束不被发光层1020吸收的情况下，发光层1020的加热将最小化。如果发光层1020的厚度最小化，则写入过程中发光层1020的最大温度将最小化。还可以通过采用导热率大于下面的相变层1030的发光材料来最小化写入过程中发光层1020的加热。发光层的热导率不能太大，否则吸收能量的热扩散将扩大相变层1030内写入位1040的尺寸。扩大的写入位1040将降低记录信息的密度。较薄的发光层1020也可以最小化热扩散的影响。
作为一种通过加热改变相变材料的状态的替代方式，系统可以采用能量电子或光子影响状态变化。例如，能量电子或光子的使用可以通过从电子或光子直接吸收能量引起原子间键的重新排布或原子的移动而产生，而不必可感知地加热样品区域。可选择的，这些影响和加热的组合也可以用于影响状态的转变。如另一实施方式中所描述的，状态的改变包括非晶与结晶态之间的转变和各种结晶态之间的转变。
在该实施方式下，在到达发光层1020之前，读取束的能量不会在相变层1030中损失。如果发光层1020位于相变层1030的顶上，则更易于激励发光层1020发射强光。此外，发光层1020还可以作为写入过程中的相变层1030的保护层。特别的，发光层1020可以使材料从相变层1030的烧蚀、升华或蒸发最小化，和/或使相变材料外形的不希望的流动或改变最小化。
图13示出了用于对根据图10所示的第三可替换实施方式的超高密度数据存储装置存储数据和从其检索数据的方法的流程图。步骤1300规定提供具有能够发射射束的束源200的装置。步骤1310要求在束源200的附近提供检测器1010，来感测光能。步骤1320规定提供相变层1030和在检测器810与相变层1030之间的发光层1020，其中，相变层1030可以被束源局部地由第一相转变为第二相，发光层1020包括能够在被射束轰击时发射光的发光材料。然后，步骤1330规定通过借助光束将相变层1030的一部分从第一相转变为第二相而写入数据。最后，步骤1340规定通过以光束激励发光层1020发光、并监控由发光层1020发出的到达检测器1010的光来读取数据。
可以对上述实施方式进一步改进。发光层与相变层之间可以包括扩散阻挡层，特别用于最小化写入过程中的原子间扩散。底部相变或发光层与下面的衬底之间的扩散阻挡层还可以用在四个实施例中，这里所说的扩散指的是与热量的热扩散相对的原子扩散。
抗反射涂层对于特定情况下最大化信号也是有用的，包括在基本分层设计以及上述第一可替换实施方式中，在相变层的顶和/或底表面上提供抗反射涂层。可选择的，可以将抗反射涂层施加于上述第二和第三可替换实施方式中的发光层的顶和/或底表面上。当反射涂层应用于基本分层设计中的发光层的顶表面上或上述第一可替换实施方式中的发光层的底表面上时，反射涂层可用于将信号最大化。如果反射层将发光向检测器反射，则可以实现有利特性。如果反射层反射输入光束，如，光学读取束，则反射层将抑制整体特性，并将被省略。反射涂层还可以用于第二可替换实施方式中的相变材料的顶表面上，或第三可替换实施方式中的相变材料的底表面上。
热扩散阻挡层也可以用于最小化写入区域尺寸和最小化写入所需功率。可以采用在发光层与检测器之间放置的滤出特定波长或波长范围的光的层。例如，如果相变层仅提供对发光层发射的一部分波长的吸收或反射的对比，则该滤光层将用于滤出相变层不提供对比的波长的全部或部分的光。采用这种滤光层可以通过滤出未调制，或仅调制不足，但又引起噪声的光，从而改进读取过程的信噪比。
上述适当的涂层、阻挡层和外涂层可以对于读取束足够透明，以适应读取过程。在电子读取束的情况下，可以通过使用较薄的层以及低质量密度和原子数的材料来改进传输。并且，这些层确保了写入过程所需的条件，如温度的极端。
在大部分应用中，可以通过为装置的所有层选择非反应性材料实现有益效果。非反应性材料的使用特别有益于写入过程。实施例中所公开的发光层的发光可以足够快的速率迅速衰减，以使在任何时刻都能够实现高速数据读回。如果发光过程太慢，则最后所询问的区域将仍在发光，而下一位也已经被正在读取，从而干扰了位检测。
在任意一种实施方式中，都可以采用多对发光和相变层，以在存储介质的平面中给定位置上记录一个以上的位。装置中成对层的使用有益于实现不同层对中不同波长下发光的发光层，并结合在不同波长范围内吸收的相变层。例如，可以使用下述次序的层：衬底(底)、相变层2、发光层2、相变层1、发光层1(顶)。发光层2可以主要在长于发光层1的波长下发光。相变层1和发光层1可以在其写入和未写入状态下都对发光层2发射的光具有高透明性。两个检测器，一个对发光层1发射的光敏感，另一个对发光层2发射的光束敏感，可以置于发光层1之上。足够的读取束需要在读出过程中穿透两个发光层来充分激励两个层。在电子束的情况下，装置可以采用足够薄的层和/或通常低质量密度或原子数的材料。在光读取束的情况下，发光层之上的层可以具有足够的透明性，以足以激励两个发光层。类似的考虑同样适用于写入过程。材料和层厚度可以使得写入束可以访问各个相变层。在这种情况下，可以采用不同波长的多光学束在不同相变层中进行写入。在上述实施例中，如果相变层1是带隙大于相变层2、并且其发光能量高于发光层2的半导体，则由发光层2发射的光将穿过相变层1。并且，如果发光层1被选择为在写入束2的波长下具有高透明性，则写入束2可以用于在相变层2中进行写入，其中，写入束2穿过相变层1和发光层1。在这种情况下，写入束2可以在相变层2被吸收，从而改变相变层2中的状态。可以采用在相变层1中大部分被吸收的另一写入射束1，来在相变层1中写入位，因此，该写入束不会以足够的功率密度到达相变层2来在相变层2中进行写入。
如果相变层可以置为多种状态，每个状态都提供对各个发光层发射的不同波长或波长范围下光的反射率和/或吸收的对比，则装置可以采用具有单个相变层的多个发光层。系统也可以在上述实施例中使用单一对相变和发光层写入多个位。如果相变层可以置为对发光层发射的光的相变层反射率、或吸收中部分改变的中间状态，则这种写入也是可行的。
虽然已经结合实施例详细描述了用于存储和检索超高密度数据的上述装置和方法，但是本领域技术人员应当可以理解，在这些内容的指教下，还有可能作出很多改进，本申请覆盖了其中的任意变化。因此，本领域技术人员容易想到的任意和所有改进、改变或等价变换都应当理解为包含在附加的权利要求所定义的本发明的范围之内。